Messreihe mit der Silberchlorid-Elektrode
AFB I–IIIn einem Umweltlabor werden Halbzellen unter Standardbedingungen gegen eine Silber/Silberchlorid-Bezugselektrode (KCl gesättigt, \(E = +0{,}20\,\text{V}\) gegen SHE) gemessen. Die Bezugselektrode liegt am COM-Eingang eines hochohmigen Voltmeters.
| Halbzelle | Anzeige U |
|---|---|
| Sn | Sn²⁺ | −0,34 V |
| Co | Co²⁺ | −0,48 V |
| Hg | Hg²⁺ | +0,65 V |
| Pt | Fe³⁺, Fe²⁺ | +0,57 V |
- Beschreiben Sie den Aufbau der Standard-Wasserstoffelektrode und nennen Sie zwei Gründe, warum im Labor meist andere Bezugselektroden verwendet werden.
- Berechnen Sie die Standardpotenziale der vier Halbzellen gegen die SHE.
- Erläutern Sie am Beispiel Cobalt und Quecksilber, was das Vorzeichen des Standardpotenzials aussagt.
- Beurteilen Sie die Aussage einer Praktikantin: „Die Silberchlorid-Elektrode hat das Potenzial null, weil wir an ihr messen.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Platiniertes Platinblech, von H₂ (1013 hPa) umspült, in Säure mit c(H₃O⁺) = 1 mol/L, 25 °C; E° = 0 V festgelegt. Nachteile: Wasserstoff muss ständig zugeführt werden (Gasflasche, Explosionsgefahr); die Platinoberfläche wird leicht vergiftet und ist teuer; die Elektrode ist unhandlich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Sn: −0,34 + 0,20 = −0,14 V; Co: −0,48 + 0,20 = −0,28 V; Hg: 0,65 + 0,20 = +0,85 V; Fe³⁺/Fe²⁺: 0,57 + 0,20 = +0,77 V.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
E°(Co²⁺/Co) < 0: Cobalt ist ein stärkerer Donator als H₂; gegen die SHE ist die Co-Halbzelle Minuspol, Cobalt wird oxidiert, an der SHE entsteht H₂. E°(Hg²⁺/Hg) > 0: Hg²⁺ ist ein stärkerer Akzeptor als H₃O⁺; die Hg-Halbzelle ist Pluspol, an der SHE wird H₂ oxidiert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Falsch: Jede Bezugselektrode ist für ihre Messung der Nullpunkt, auf der vereinbarten SHE-Skala liegt Ag/AgCl aber bei +0,20 V. Die angezeigten Spannungen sind Differenzen; erst nach Addition von 0,20 V sind sie mit Tabellenwerten vergleichbar.
Werkstoffe für einen Salzsäuretank
AFB II–IIIEin Betrieb lagert verdünnte Salzsäure (c ≈ 1 mol/L) und sucht einen Werkstoff für Tank und Leitungen. Zur Auswahl stehen:
| Werkstoff | E° | Bemerkung |
|---|---|---|
| Baustahl (Fe) | −0,41 V | billig |
| Titan | −1,63 V | bildet dichte Oxidschicht TiO₂ |
| Blei | −0,13 V | schwer, giftig |
| Gold | +1,50 V | sehr teuer |
| PE-Kunststoff | — | bis ca. 60 °C beständig |
\(M(\ce{Fe}) = 55{,}85\,\text{g/mol}\), molares Gasvolumen bei 25 °C: \(V_m = 24{,}5\,\text{L/mol}\)
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Eisen mit Salzsäure und begründen Sie sie mit den Standardpotenzialen.
- Berechnen Sie das Volumen Wasserstoff, das beim Auflösen von 1,0 kg Stahl (als reines Eisen) entsteht, und erläutern Sie die Gefahr.
- Erklären Sie, warum Titan trotz seines sehr negativen Standardpotenzials als säurebeständig gilt.
- Bewerten Sie die fünf Werkstoffe für den Tank und entscheiden Sie sich begründet.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{Fe + 2 H3O+ -> Fe^2+ + H2 + 2 H2O}\). E°(Fe²⁺/Fe) = −0,41 V < E°(H₂/H₃O⁺) = 0 V: Eisen ist der stärkere Donator, H₃O⁺ kann Eisen oxidieren.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(n(\ce{Fe}) = 1000\,\text{g} : 55{,}85\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 17{,}9\,\text{mol}\) = \(n(\ce{H2})\); \(V = 17{,}9\,\text{mol} \cdot 24{,}5\,\tfrac{\text{L}}{\text{mol}} \approx 439\,\text{L}\). Wasserstoff bildet mit Luft explosive Gemische (Knallgas) — in geschlossenen Tanks gefährlich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
E° beschreibt nur die Donatortendenz des blanken Metalls unter Standardbedingungen. Titan überzieht sich sofort mit einer dichten, festhaftenden TiO₂-Schicht (Passivierung), die den Kontakt zur Säure verhindert — die Reaktion ist möglich, läuft aber praktisch nicht ab.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Stahl: ungeeignet, löst sich unter H₂-Bildung. Blei: E° knapp unter 0, reagiert langsam, zudem giftig und schwer — ungünstig. Gold: beständig (E° > 0), aber unbezahlbar. Titan: beständig durch Passivierung, aber teuer. PE: reagiert nicht, billig, leicht, bei Raumtemperatur geeignet. Entscheidung z. B. für PE bzw. kunststoffausgekleideten Stahl, Titan nur für heiße Teile.