Zinn-Silber-Zelle im Schülerlabor
AFB I–IIEine Arbeitsgruppe baut eine galvanische Zelle aus einem Zinnblech in Zinn(II)-sulfat-Lösung und einem Silberblech in Silbernitrat-Lösung (je c = 1 mol/L), verbunden über eine KNO₃-Salzbrücke. Das Voltmeter zeigt 0,93 V. Anschließend wird ein kleiner Motor angeschlossen; nach 2 Stunden werden die Bleche gewogen.
| Elektrode | Masse vorher | Masse nachher |
|---|---|---|
| Zinnblech | 5,420 g | 5,301 g |
| Silberblech | 3,850 g | 4,066 g |
\(M(\ce{Sn}) = 118{,}71\,\text{g/mol}\), \(M(\ce{Ag}) = 107{,}87\,\text{g/mol}\)
- Beschreiben Sie den Aufbau der Zelle und geben Sie Minuspol, Pluspol und die Richtung des Elektronenflusses an.
- Formulieren Sie die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung sowie das Zelldiagramm.
- Werten Sie die Wägung aus und zeigen Sie, dass sie zur Gesamtgleichung passt.
- Erklären Sie, warum ein Zinnblech, das direkt in Silbernitrat-Lösung gestellt wird, keinen Motor antreiben kann, obwohl dieselbe Reaktion abläuft.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Zwei Halbzellen (Sn | SnSO₄, Ag | AgNO₃), außen über Draht und Motor/Voltmeter, innen über die KNO₃-Salzbrücke verbunden. Zinn ist unedler: Minuspol (Anode); Silber: Pluspol (Kathode). Elektronen fließen im Draht vom Zinn zum Silber.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Anode: \(\ce{Sn -> Sn^2+ + 2 e-}\); Kathode: \(\ce{Ag+ + e- -> Ag}\) (·2); gesamt: \(\ce{Sn + 2 Ag+ -> Sn^2+ + 2 Ag}\). Zelldiagramm: \(\mathrm{Sn}\,|\,\mathrm{Sn^{2+}}\,\|\,\mathrm{Ag^{+}}\,|\,\mathrm{Ag}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\ce{Sn}) = 0{,}119\,\text{g} : 118{,}71\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 1{,}00\,\text{mmol}\) gelöst; \(n(\ce{Ag}) = 0{,}216\,\text{g} : 107{,}87\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 2{,}00\,\text{mmol}\) abgeschieden. Verhältnis 1 : 2 wie in der Gesamtgleichung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Im direkten Kontakt gehen die Elektronen an der Blechoberfläche unmittelbar vom Zinn auf Ag⁺ über (Silberbelag), die Reaktionsenergie wird als Wärme frei. Nur wenn Donator und Akzeptor räumlich getrennt sind, müssen die Elektronen durch den äußeren Leiter fließen und können dort elektrische Arbeit verrichten.
Die Meerwasserbatterie
AFB II–IIINotsender an Rettungswesten und Bojen werden oft von Magnesium-Silberchlorid-Zellen versorgt. Sie werden trocken gelagert und erst aktiviert, wenn Meerwasser eindringt. Anode ist ein Magnesiumblech, Kathode ein Blech aus Silberchlorid (AgCl), das dabei zu Silber reduziert wird. Die Zellspannung beträgt etwa 1,6 V.
| Angabe | Wert |
|---|---|
| Masse AgCl in der Kathode | 14,3 g |
| \(M(\ce{AgCl})\) | 143,32 g/mol |
| \(M(\ce{Mg})\) | 24,31 g/mol |
| Nebenreaktion im Meerwasser | \(\ce{Mg + 2 H2O -> Mg(OH)2 + H2}\) |
- Erläutern Sie, warum die Zelle erst durch Meerwasser aktiviert wird.
- Stellen Sie die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung auf und nennen Sie Elektronendonator und -akzeptor.
- Berechnen Sie die Masse Magnesium, die mindestens nötig ist, um das Silberchlorid vollständig umzusetzen.
- Beurteilen Sie die Meerwasserbatterie im Vergleich zum Daniell-Element für den Einsatz in Notsendern und begründen Sie, warum mehr Magnesium als berechnet eingebaut wird.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Im trockenen Zustand fehlt ein Ionenleiter zwischen den Elektroden: Der Stromkreis ist geschlossen nur für Elektronen, nicht für Ionen. Meerwasser (Na⁺, Cl⁻) übernimmt die Rolle von Elektrolyt und Salzbrücke; erst dann können Ionen wandern und Elektronen im äußeren Leiter fließen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Anode (Minuspol): \(\ce{Mg -> Mg^2+ + 2 e-}\); Kathode (Pluspol): \(\ce{AgCl + e- -> Ag + Cl-}\) (·2); gesamt: \(\ce{Mg + 2 AgCl -> Mg^2+ + 2 Ag + 2 Cl-}\). Donator: Magnesium; Akzeptor: Ag⁺ im Silberchlorid.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\ce{AgCl}) = 14{,}3\,\text{g} : 143{,}32\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 0{,}0998\,\text{mol}\); \(n(\ce{Mg}) = 0{,}0499\,\text{mol}\); \(m(\ce{Mg}) = 0{,}0499\,\text{mol} \cdot 24{,}31\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 1{,}21\,\text{g}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Vorteile: unbegrenzt trocken lagerbar, keine flüssigen Lösungen, Elektrolyt ist am Einsatzort vorhanden, höhere Spannung (≈ 1,6 V statt 1,1 V). Nachteile: teures Silber, nur einmal verwendbar. Magnesium reagiert als sehr unedles Metall zusätzlich direkt mit Wasser (Nebenreaktion, H₂-Bildung) — dieser Anteil liefert keinen Strom, deshalb wird ein Überschuss eingebaut.