Aufgabe 1 - Redoxreaktionen und galvanische Zellen · Abitur NRW Chemie LK · Nachtermin 2022

Fachspezifische Vorgaben:

MÖBIUS-Verfahren zur Silberreinigung

Als Edelmetall wird Silber im Alltag vielseitig eingesetzt. Es dient nicht nur als Material für Schmuck, sondern auch für Besteck und zur Herstellung von Spiegeln. Zudem kommt es in manchen Batterien und Akkumulatoren (kurz Akkus) zum Einsatz.

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 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, kann der Akku ein zweites Mal durch Anlegen der Gleichspannung geladen werden.

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.

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 $25^\circ\text{C}$ 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 ($pH = 14$) · $2\text{ Ag} + 2\text{ OH}^- \rightleftharpoons \text{Ag}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} + 2\text{ e}^-$ · $0{,}34\text{ V}$

Nernst-Gleichung:

$$E = E^0 + \frac{0{,}059\text{ V}}{z} \cdot \lg \frac{c(\text{ox})}{c(\text{red.})}$$

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:

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

Teilaufgabe 2 [18 Punkte]

2.1

Zeichnen Sie eine mögliche Versuchsanordnung für das Modellexperiment, mit dem der Silberoxid-Zink-Akkumulator geladen wird.

2.2

Erklären Sie die Beobachtungen, die bei dem Experiment gemacht wurden (Farbänderungen, Gasentwicklung, Verhalten bei wiederholtem Laden).

2.3

Stellen Sie die Teilgleichungen für die Reaktionen auf, die während des Ladens und des Entladens stattfinden.

Teilaufgabe 3 [16 Punkte]

3.1

Berechnen Sie die Spannung eines Silberoxid-Zink-Akkumulators unter Standardbedingungen.

3.2

Berechnen Sie die Spannung des Akkumulators im Modellexperiment unter der Annahme einer Zink-Ionen-Konzentration von $c(\text{Zn}^{2+}) = 0{,}01\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$.

3.3

Erläutern Sie, auf welche Weise sich die Spannung des Akkumulators durch eine Änderung der Ionenkonzentration steigern ließe.

Teilaufgabe 4 [16 Punkte]

4.1

Erklären Sie, welche Vor- und Nachteile sich aus der Nutzung eines Silberoxid-Zink-Akkumulators im Alltag ergäben.

4.2

Beurteilen Sie die vorgeschlagenen Möglichkeiten zur Optimierung des Silberoxid-Zink-Akkumulators, indem Sie die jeweils entstehenden Vor- und Nachteile gegenüberstellen.