Aufgabe 1 - Teilaufgaben 2 und 3 · Abitur NRW Chemie GK · Nachtermin 2022

Fachspezifische Vorgaben:

MÖBIUS-Verfahren zur Silberreinigung

Silber ist ein Edelmetall mit vielen Verwendungsmöglichkeiten in unserem Alltag. Neben der Verwendung für Schmuck wird es für Besteck und die Herstellung von Spiegeln genutzt. Auch in bestimmten Batterien und Akkumulatoren (auch kurz Akkus genannt) findet es Verwendung.

Silber kommt als edles Metall in der Natur häufig elementar vor. Diese Silbervorkommen enthalten Verunreinigungen, wobei hauptsächlich Kupfer und Blei als unedlere und Gold und Platin als edlere Metalle zu nennen sind. Für die weitere Verarbeitung muss das Silber gereinigt werden. Diese Reinigung erfolgt auf elektrolytischem Wege (Möbius-Verfahren). Hierbei wird das Rohsilber in Anodenplatten gegossen und in eine saure Silbernitrat-Lösung ($\text{AgNO}_3$) mit Kathoden aus dünnem Feinsilberblech zusammengeschaltet und elektrolysiert. Da die Abscheidung nicht in Form eines glatten zusammenhängenden Überzugs, sondern in Form loser, verästelter Kristalle erfolgt, sind zur Vermeidung eines zwischen Anode und Kathode auftretenden Kurzschlusses Schaber vorhanden, die sich während der Elektrolyse hin und her bewegen und die Silberkristalle abstreifen. Das Phänomen, dass sich Silber nicht gleichmäßig an einer Elektrode abscheidet, macht auch Probleme beim Bau von Akkumulatoren, die Silber enthalten.

Silberoxid-Zink-Akkumulator

Als edles Metall findet Silber in Batterien und Akkumulatoren Verwendung. Ein Beispiel ist hier der Silberoxid-Zink-Akkumulator. Hohe Kosten machen ihn jedoch für viele alltägliche Einsätze unattraktiv.

In einem einfachen Experiment wird die Funktionsweise des Silberoxid-Zink-Akkumulators nachvollzogen:

Durchführung

Es wird eine Kaliumhydroxid-Lösung der Konzentration $c(\text{KOH}) = 4\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$ hergestellt und in ein Becherglas gefüllt. In die Lösung werden ein Silberblech und ein Zinkblech gestellt. Das Silberblech wird mit dem Pluspol und das Zinkblech mit dem Minuspol einer Spannungsquelle mit $1{,}5\text{ V}$ verbunden, was dem Laden des Akkus entspricht. Nach wenigen Sekunden wird die Gleichspannungsquelle wieder entfernt und an ihrer Stelle ein Elektromotor angeschlossen.

Sobald der Elektromotor aufhört sich zu drehen, wird der Elektrolyt mit einem Teststreifen auf Zink(II)-Ionen geprüft. Anschließend wird der Akku ein zweites Mal durch Anlegen der Gleichspannung geladen.

Beobachtung

Nach dem Anlegen der Gleichspannung überzieht sich die Silberelektrode mit einer schwarzen Schicht. Am Zinkblech entstehen kleine Mengen eines farblosen Gases. Fängt man das Gas auf und führt damit die Knallgasprobe durch, so verläuft diese positiv. Der nach dem Laden angeschlossene Elektromotor beginnt sofort sich zu drehen. Das Zinkblech erhält dabei eine raue Oberfläche und die schwarze Farbe des Silberbleches verschwindet langsam wieder. Im Elektrolyten sind nun Zink(II)-Ionen nachweisbar.

Beim erneuten Anlegen der Gleichspannung überzieht sich das Silberblech wieder mit einer schwarzen Schicht. Die Gasbildung am Zinkblech setzt nicht wie beim ersten Laden sofort, sondern erst nach einiger Zeit ein.

Silberoxid-Zink-Zellen im Alltag und Optimierungsmöglichkeiten

Im Alltag werden die Silberoxid-Zink-Zellen oft als Knopfzellen z. B. in Hörgeräten genutzt, da sie eine hohe Energiedichte besitzen. Dies bedeutet, dass die Knopfzellen nicht so häufig gewechselt werden müssen wie andere mobile Energiequellen mit geringerer Energiedichte. Diese Silberoxid-Zink-Zellen werden im Alltag nicht wieder aufgeladen.

Wird die Silberoxid-Zink-Zelle als Akku verwendet, werden zur Optimierung der Einbau eines kleinen Ventils in der Zinkhalbzelle oder die Erhöhung der Zink(II)-Ionenkonzentration und die Vergrößerung der Masse an Zink vorgeschlagen.

Zusatzinformationen:

Der Stoff Silberoxid ($\text{Ag}_2\text{O}$) ist schwarz.

Standardpotentiale ($E^\circ$) bei $25\text{ }^\circ\text{C}$ und $101{,}3\text{ kPa}$

Stoff · Reaktionsgleichung · Standardpotential ($E^\circ$)

Wasserstoff ($pH = 14$) · $\text{H}_2 + 2\text{ OH}^- \rightleftharpoons 2\text{ H}_2\text{O} + 2\text{ e}^-$ · $-0{,}83\text{ V}$

Zink · $\text{Zn} \rightleftharpoons \text{Zn}^{2+} + 2\text{ e}^-$ · $-0{,}76\text{ V}$

Silber ($pH = 14$) · $2\text{ Ag} + 2\text{ OH}^- \rightleftharpoons \text{Ag}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} + 2\text{ e}^-$ · $0{,}34\text{ V}$

Faraday-Gesetz:

$I \cdot t = n \cdot z \cdot F$

Faraday-Konstante:

$F = 96485\text{ A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1}$

Molare Masse:

$M(\text{Ag}) = 107{,}9\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$

2.

Zeichnen Sie einen denkbaren Versuchsaufbau für das Modell-Experiment zur Ladung des Silberoxid-Zink-Akkumulators. Erklären Sie die im Experiment gemachten Beobachtungen und stellen Sie für die Reaktionen, die beim Laden und beim Entladen stattfinden, jeweils Teilgleichungen auf. [26 Punkte]

3.

Berechnen Sie die Spannung, die ein Silberoxid-Zink-Akkumulator bei Standardbedingungen bereitstellt. Beurteilen Sie die vorgeschlagenen Möglichkeiten zur Optimierung des Silberoxid-Zink-Akkus, indem Sie die sich daraus ergebenden Vor- und Nachteile einander gegenüberstellen. [14 Punkte]