Aufgabe 1 · Abitur NRW Chemie LK · Haupttermin 2021

Galvanische Elemente nach GROVE und BUNSEN

1839 hatte WILLIAM GROVE ein galvanisches Element entwickelt, in dem ein Zinkblech in verdünnte Schwefelsäure (H 2 SO 4) und ein Platinblech als Kathode in Salpetersäure (HNO 3) eintaucht. Die Lösungen wurden durch einen porösen, ionendurchlässigen Tonzylinder getrennt (Abbildung 1). Das Element lieferte für die damalige Zeit hohe Stromstärken, jedoch wurde beim Betrieb das Platin angegriffen und als Produkt entstand gasförmiges Stickstoffdioxid (NO 2).

ROBERT BUNSEN entwickelte 1841 das Element weiter, indem er das Platin durch poröse Kohle ersetzte. Als Elektrolyten nutzte er eine saure Kaliumdichromat-Lösung (K 2 Cr 2 O 7), die die Salpetersäure ersetzte. Die von BUNSEN entwickelte Batterie war damals die leistungsfähigste Stromquelle.

Versuch 1: Ein GROVE-Element wird, wie in Abbildung 1 dargestellt, aufgebaut. Das Zinkblech hat zu Beginn des Versuchs eine Masse $m_0 = 45{,}00\text{ g}$. Das Element wird über einen Verbraucher vollständig entladen. Das Zinkblech hat am Ende des Versuchs eine Masse $m = 26{,}04\text{ g}$.

Versuch 2: Ein BUNSEN-Element wird mit Kaliumdichromat-Lösung, $c(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}) = 1{,}2\text{ mol/L}$, als Elektrolyt im Kathodenraum befüllt. Die Kaliumdichromat-Lösung ist mit Schwefelsäure angesäuert, $\text{pH} = 0{,}29$. Der Elektrolyt enthält zudem Chrom(III)-Ionen, $c(\text{Cr}^{3+}) = 10^{-6}\text{ mol/L}$. Im schwefelsauren Elektrolyten im Anodenraum beträgt die Zink-Ionen-Konzentration $c(\text{Zn}^{2+}) = 10^{-3}\text{ mol/L}$. Es wird stromlos eine Ruhespannung von etwa $U \approx 2\text{ V}$ am BUNSEN-Element gemessen.

Bei einer Wiederholung des Versuchs 2 wird die Kaliumdichromat-Lösung mit konzentrierter Bromwasserstoffsäure (HBr) statt Schwefelsäure angesäuert. Die Lösung färbt sich braun und ein Geruch von Brom ist deutlich wahrnehmbar. Die stromlose Messung der Ruhespannung zeigt nun einen Wert von etwa $U \approx 1{,}8\text{ V}$ an.

Modellexperiment: Für ein Modellexperiment wird eine moderne Abwandlung des BUNSEN-Elements vorgeschlagen: In einer Zwei-Halbzellen-Apparatur mit einer kationendurchlässigen Membran (KAM) soll eine schwefelsaure Kaliumperoxodisulfat-Lösung (K 2 S 2 O 8) statt der schwefelsauren Kaliumdichromat-Lösung eingesetzt werden. Als Elektrode wird eine Kohle-Elektrode verwendet.

Zusatzinformationen

$M(\text{Zn}) = 65{,}38\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$

Faraday-Gesetz: $Q = I \cdot t = n \cdot F \cdot z$   |   $F = 96485\text{ A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1}$

Nernst-Gleichung: $E = E^0 + \frac{0{,}059\text{ V}}{z} \cdot \lg\left(\frac{c(\text{ox.})}{c(\text{red.})}\right)$

Dichromat-Halbzelle: $E = E^0 + \frac{0{,}059\text{ V}}{6} \cdot \lg\left(\frac{c(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}) \cdot c^{14}(\text{H}_3\text{O}^+)}{c^2(\text{Cr}^{3+})}\right)$

Tabelle 1: Redoxpotentiale bei Standardbedingungen Korrespondierendes Redoxpaar · Standard-Redoxpotential $E^0$

Zn / Zn$^{2+}$ · $E^0 = -0{,}76\text{ V}$

Br$^-$ / Br$_2$ · $E^0 = +1{,}07\text{ V}$

Cr$^{3+}$, H$_2$O / Cr$_2$O$_7^{2-}$, H$_3$O$^+$ · $E^0 = +1{,}33\text{ V}$

SO$_4^{2-}$ / S$_2$O$_8^{2-}$ · $E^0 = +2{,}01\text{ V}$

Tabelle 2: Gefahrenmerkmale ausgewählter Stoffe Stoff · Summenformel · Gefahrenmerkmale

Chrom(III)-sulfat · Cr 2 (SO 4) 3 · Keine bekannt

Kaliumperoxodisulfat · K 2 S 2 O 8 · Oxidierender Feststoff; Reizwirkung auf Haut und Augen; Sensibilisierung der Atemwege

Kaliumdichromat · K 2 Cr 2 O 7 · Oxidierender Feststoff; Akute Toxizität bei Verschlucken, Hautkontakt; Ätzwirkung auf die Haut; Sensibilisierung der Atemwege; Krebserregend; Gewässergefährdend

Salpetersäure, konz. · HNO 3 · Korrosiv gegenüber Metallen; Akute Toxizität beim Einatmen; Ätzwirkung auf die Haut und Augen

Schwefelsäure, verd. · H 2 SO 4 · Reizwirkung auf Haut und Augen; Korrosiv gegenüber Metallen

Stickstoffdioxid · NO 2 · Oxidierendes Gas; Akute Toxizität beim Einatmen; Ätzwirkung auf die Haut

Zink · Zn · Keine bekannt

Zinksulfat · ZnSO 4 · Schwere Augenschädigung; Gewässergefährdend

1.

Beschreiben Sie, wie das GROVE-Element aufgebaut ist, und ordnen Sie dabei die Pole zu. Geben Sie die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung der Redoxreaktion an, die im GROVE-Element während des Betriebs abläuft. Berechnen Sie die Ladungsmenge $Q$, die in Versuch 1 geflossen ist. [18 Punkte]

2.

Geben Sie die Gleichung der Reaktion an der Kathode sowie die Gesamtgleichung der Redoxreaktion an, die im BUNSEN-Element während des Betriebs abläuft. Berechnen Sie die theoretische Spannung $U$ des Elements aus Versuch 2. Begründen Sie die Form der NERNST-Gleichung für die Dichromat-Halbzelle. [16 Punkte]

3.

Deuten Sie die Beobachtungen, die sich bei der Wiederholung von Versuch 2 nach der Zugabe von Bromwasserstoffsäure zeigen. Stützen Sie Ihre Deutung auch durch eine Reaktionsgleichung. Begründen Sie mithilfe der Beobachtungen, dass die Wiederholung von Versuch 2 ein Zink-Brom-Element ergibt. [16 Punkte]

4.

Prüfen Sie, ob das vorgeschlagene Modellexperiment als galvanisches Element funktionieren kann. Geben Sie an, welche Prozesse darin im Betrieb auf Teilchenebene ablaufen. Beurteilen Sie im Vergleich die Weiterentwicklung der drei beschriebenen galvanischen Elemente anhand der verwendeten Stoffe und Materialien, auch im Hinblick auf Umwelteigenschaften und Störanfälligkeit. [16 Punkte]