Bleche über Nacht
AFB I–IIIm Schülerversuch werden Metallbleche gewogen, eine Nacht lang in Salzlösungen gestellt, abgespült, getrocknet und erneut gewogen:
| Versuch | Blech | Lösung (0,1 mol/L) | Masse vorher | Masse nachher | Beobachtung |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Nickel | NiSO₄ | 2,000 g | 2,000 g | keine Veränderung |
| 2 | Blei | Pb(NO₃)₂ | 3,512 g | 3,512 g | keine Veränderung |
| 3 | Nickel | Pb(NO₃)₂ | 2,000 g | 2,300 g | grauer, schwammiger Belag |
| 4 | Blei | NiSO₄ | 3,512 g | 3,512 g | keine Veränderung |
\(M(\ce{Ni}) = 58{,}69\,\text{g/mol}\), \(M(\ce{Pb}) = 207{,}2\,\text{g/mol}\)
- Beschreiben Sie die Vorgänge an der Oberfläche in Versuch 1 mithilfe des Modells der Doppelschicht.
- Vergleichen Sie die Doppelschichten in Versuch 1 und 2 und begründen Sie, welches Blech stärker negativ geladen ist.
- Erklären Sie die Beobachtung in Versuch 3 und berechnen Sie die Masse des abgeschiedenen Bleis.
- Beurteilen Sie die Aussage: „In Versuch 1 und 4 passiert chemisch gar nichts.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Ni-Atome gehen als Ni²⁺ in Lösung, Elektronen bleiben zurück; das Blech lädt sich negativ auf, Ni²⁺-Ionen sammeln sich davor. Gleichzeitig werden Ni²⁺-Ionen abgeschieden. Es stellt sich das dynamische Gleichgewicht \(\ce{Ni <=> Ni^2+ + 2 e-}\) ein; der Umsatz ist so klein, dass die Masse unverändert bleibt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Beide Metalle sind unedel und laden sich negativ auf. Nickel ist unedler als Blei (Versuch 3), seine Lösungstension ist größer: Das Nickelblech trägt bei gleicher Konzentration mehr Überschusselektronen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Nickel reduziert die Pb²⁺-Ionen der fremden Lösung: \(\ce{Ni + Pb^2+ -> Ni^2+ + Pb}\). Je Formelumsatz nimmt die Masse um \(207{,}2 - 58{,}69 = 148{,}5\,\text{g/mol}\) zu: \(n = 0{,}300\,\text{g} : 148{,}5\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 2{,}02\,\text{mmol}\); \(m(\ce{Pb}) = 2{,}02\,\text{mmol} \cdot 207{,}2\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 0{,}419\,\text{g}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für Versuch 1 falsch: Dort laufen Lösen und Abscheiden ständig ab (dynamisches Gleichgewicht, Doppelschicht), nur ohne Nettoumsatz. Für Versuch 4 weitgehend zutreffend: Blei ist edler als Nickel und kann Ni²⁺ nicht reduzieren, eine Redoxreaktion findet nicht statt. Die Aussage verwechselt „kein Nettoumsatz“ mit „keine Reaktion“.
Superkondensatoren im Stadtbus
AFB II–IIIElektrobusse speichern Bremsenergie in Doppelschichtkondensatoren („Supercaps“). Ihre Elektroden bestehen aus Aktivkohle mit riesiger innerer Oberfläche, getränkt mit einer Elektrolytlösung. Beim Laden sammeln sich Anionen an der positiven und Kationen an der negativen Elektrode — eine Redoxreaktion findet nicht statt.
| Kenngröße | Wert |
|---|---|
| innere Oberfläche der Aktivkohle | 1500 m²/g |
| flächenbezogene Kapazität der Doppelschicht | 10 µF/cm² = 0,10 F/m² |
| Aktivkohle je Elektrode | 1,0 g |
| maximale Zellspannung | 2,7 V |
| Ladezyklen | über 500 000 |
Zwei gleiche Elektroden bilden eine Zelle; ihre Kapazitäten sind in Reihe geschaltet: \(C_{\text{Zelle}} = C_{\text{Elektrode}}/2\). \(W = \tfrac{1}{2} C U^2\), \(F = 96\,485\,\text{C/mol}\).
- Erläutern Sie Gemeinsamkeit und Unterschied zwischen der Doppelschicht im Supercap und der an einem Zinkblech in Zinksulfat-Lösung.
- Berechnen Sie die Kapazität einer Elektrode und einer Zelle.
- Ermitteln Sie die gespeicherte Energie und die Stoffmenge einfach geladener Ionen, die sich bei 2,7 V an einer Elektrode anlagern.
- Bewerten Sie den Einsatz von Supercaps statt Akkumulatoren zum Speichern der Bremsenergie eines Stadtbusses.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Gemeinsam: Ladung im Festkörper und eine Schicht entgegengesetzt geladener Ionen in der Lösung davor. Unterschied: Am Zinkblech entsteht die Ladung selbst durch eine Redoxreaktion (\(\ce{Zn <=> Zn^2+ + 2 e-}\)); im Supercap wird sie von außen aufgeprägt, die Ionen lagern sich nur an — ohne Elektronenübergang.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(A = 1{,}0\,\text{g} \cdot 1500\,\tfrac{\text{m}^2}{\text{g}} = 1500\,\text{m}^2\); \(C_{\text{El}} = 0{,}10\,\tfrac{\text{F}}{\text{m}^2} \cdot 1500\,\text{m}^2 = 150\,\text{F}\); \(C_{\text{Zelle}} = 75\,\text{F}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(W = \tfrac{1}{2} \cdot 75\,\text{F} \cdot (2{,}7\,\text{V})^2 \approx 273\,\text{J}\); \(Q = 75\,\text{F} \cdot 2{,}7\,\text{V} = 202{,}5\,\text{C}\); \(n = 202{,}5\,\text{C} : 96\,485\,\tfrac{\text{C}}{\text{mol}} \approx 2{,}1\,\text{mmol}\) Ionen je Elektrode.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Vorteile: Laden und Entladen in Sekunden (nur Ionenbewegung, keine langsame chemische Reaktion), sehr hohe Zyklenzahl, passend für häufiges Bremsen und Anfahren an Haltestellen. Nachteil: geringe Energie pro Masse (hier nur ≈ 273 J je Zelle mit 2 g Kohle) — für lange Strecken ungeeignet. Sinnvoll als Kurzzeitspeicher, meist in Kombination mit einem Akku.