Die Silberoxid-Knopfzelle
AFB I–IIArmbanduhren werden oft von Silberoxid-Knopfzellen versorgt. Sie enthalten Zinkpulver, Silberoxid (Ag₂O) und Kalilauge als Elektrolyt. In alkalischer Lösung gelten die folgenden Standardpotenziale:
| Redoxpaar (alkalisch) | E° |
|---|---|
| \(\ce{Zn(OH)2 + 2 e- <=> Zn + 2 OH-}\) | −1,25 V |
| \(\ce{Ag2O + H2O + 2 e- <=> 2 Ag + 2 OH-}\) | +0,34 V |
| \(\ce{Li+ + e- <=> Li}\) | −3,04 V |
Auf der Verpackung ist eine Nennspannung von 1,55 V angegeben.
- Begründen Sie mit den Standardpotenzialen, welche Elektrode Anode und welche Kathode ist.
- Formulieren Sie die Elektrodenreaktionen und die Gesamtreaktion.
- Berechnen Sie die Standard-Zellspannung und vergleichen Sie mit der Nennspannung.
- Erläutern Sie, warum Lithiumzellen höhere Spannungen erreichen, aber keinen wässrigen Elektrolyten enthalten dürfen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
E°(Ag₂O/Ag) = +0,34 V > E°(Zn(OH)₂/Zn) = −1,25 V: Ag₂O ist der Akzeptor, die Silberoxid-Elektrode ist Kathode (Pluspol); Zink ist der stärkere Donator und bildet die Anode (Minuspol).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Anode: \(\ce{Zn + 2 OH- -> Zn(OH)2 + 2 e-}\); Kathode: \(\ce{Ag2O + H2O + 2 e- -> 2 Ag + 2 OH-}\); gesamt: \(\ce{Zn + Ag2O + H2O -> Zn(OH)2 + 2 Ag}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(U^\circ = 0{,}34\,\text{V} - (-1{,}25\,\text{V}) = 1{,}59\,\text{V}\). Die Nennspannung (1,55 V) ist etwas kleiner: in der Zelle liegen keine exakten Standardbedingungen vor, und beim Stromfluss sinkt die Spannung durch den Innenwiderstand.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Mit E° = −3,04 V liegt Lithium sehr weit unten; gegen dieselbe Kathode ist die Spannung um fast 1,8 V größer. Lithium ist aber ein so starker Donator, dass es Wasser unter H₂-Bildung reduziert (E°(Li) ≪ E°(H₂O/H₂)) — die Anode würde sich zersetzen. Deshalb werden organische Lösungsmittel verwendet.
Silberrückgewinnung aus Fixierbädern
AFB II–IIIAus gebrauchten Fixierbädern der Fotoentwicklung und aus Röntgenlaboren wird Silber zurückgewonnen. Eine einfache Methode ist die Zementation: Man gibt ein unedleres Metallpulver zur silberhaltigen Lösung, das Silber fällt als Schlamm aus. Ein Labor hat 10 L Lösung mit \(c(\ce{Ag+}) = 0{,}050\,\text{mol/L}\); die Lösung ist leicht sauer.
| Paar | Zn²⁺/Zn | H₃O⁺/H₂ | Cu²⁺/Cu | Ag⁺/Ag | Au³⁺/Au |
|---|---|---|---|---|---|
| E° in V | −0,76 | 0,00 | +0,34 | +0,80 | +1,50 |
\(M(\ce{Zn}) = 65{,}38\,\text{g/mol}\), \(M(\ce{Ag}) = 107{,}87\,\text{g/mol}\)
- Begründen Sie, welche der Metalle Zink, Kupfer und Gold für die Zementation geeignet sind, und berechnen Sie jeweils \(U^\circ\).
- Berechnen Sie die Masse an Zink, die mindestens nötig ist, und die Masse an Silber, die gewonnen wird.
- Erklären Sie, warum in der Praxis deutlich mehr Zink verbraucht wird, und formulieren Sie die Gleichung der Nebenreaktion.
- Bewerten Sie Zink und Kupfer als Zementationsmetall im Hinblick auf Reinheit des Silbers, Nebenreaktionen und Abwasser.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Geeignet ist jedes Metall mit E° < +0,80 V. Zink: U° = 0,80 − (−0,76) = 1,56 V; Kupfer: 0,80 − 0,34 = 0,46 V; Gold: 0,80 − 1,50 = −0,70 V < 0 → ungeeignet.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(n(\ce{Ag+}) = 10\,\text{L} \cdot 0{,}050\,\tfrac{\text{mol}}{\text{L}} = 0{,}50\,\text{mol}\) → \(m(\ce{Ag}) = 53{,}9\,\text{g}\); \(n(\ce{Zn}) = 0{,}25\,\text{mol}\) → \(m(\ce{Zn}) = 16{,}3\,\text{g}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Zink ist auch ein stärkerer Donator als H₂ (E° < 0) und reagiert mit den Oxonium-Ionen der sauren Lösung: \(\ce{Zn + 2 H3O+ -> Zn^2+ + H2 + 2 H2O}\). Dieser Anteil fällt kein Silber aus; zudem kann Zink von Silberschlamm umhüllt werden.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Zink: große Triebkraft, schnelle und vollständige Fällung, aber H₂-Nebenreaktion (Mehrverbrauch, Knallgasgefahr) und Zn²⁺ im Abwasser (Schwermetall). Kupfer: kleinere Triebkraft, langsamer, aber keine Reaktion mit H₃O⁺ (E° > 0) — kein Mehrverbrauch, kein Wasserstoff; Cu²⁺ belastet allerdings ebenfalls das Abwasser und färbt es blau. Überschüssiges Metallpulver verunreinigt jeweils den Silberschlamm. Begründete Entscheidung, z. B. Kupfer bei sauren Bädern.