Zinnchlorid: erst laden, dann entladen
AFB I–IIIm Schülerversuch wird eine Zinn(II)-chlorid-Lösung (c = 1 mol/L) zwischen zwei Graphitelektroden 5 min bei 4 V elektrolysiert. An einer Elektrode wachsen glänzende Zinnkristalle, an der anderen steigen gelbgrüne Gasbläschen auf. Danach wird die Quelle durch einen Motor mit Voltmeter ersetzt.
| t in min | 0 | 1 | 2 | 4 | 6 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| U in V | 1,42 | 1,35 | 1,28 | 1,05 | 0,52 | 0,08 |
\(E^\circ(\ce{Sn^2+}/\ce{Sn}) = -0{,}14\,\text{V}\), \(E^\circ(\ce{Cl2}/\ce{Cl-}) = +1{,}36\,\text{V}\)
- Formulieren Sie die Elektrodenreaktionen der Elektrolyse und geben Sie Pol und Elektrodennamen an.
- Beschreiben Sie die Vorgänge beim Betrieb des Motors und vergleichen Sie mit der Elektrolyse.
- Berechnen Sie die Standard-Zellspannung und vergleichen Sie mit dem Startwert der Messung.
- Erklären Sie den Verlauf der Messwerte.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Minuspol, Kathode: \(\ce{Sn^2+ + 2 e- -> Sn}\); Pluspol, Anode: \(\ce{2 Cl- -> Cl2 + 2 e-}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Galvanische Zelle: Zinn wird oxidiert (\(\ce{Sn -> Sn^2+ + 2 e-}\), Minuspol, jetzt Anode), Chlor reduziert (\(\ce{Cl2 + 2 e- -> 2 Cl-}\), Pluspol, jetzt Kathode). Pole bleiben, Elektrodennamen, Elektronenfluss und Ionenwanderung kehren sich um; chemische wird in elektrische Energie umgewandelt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\Delta E^\circ = 1{,}36\,\text{V} - (-0{,}14\,\text{V}) = 1{,}50\,\text{V}\). Gemessen 1,42 V: etwas weniger, weil nur wenig Chlor an der Elektrode haftet (kein Standarddruck) und unter Last ein Spannungsabfall am Innenwiderstand auftritt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Chlor entweicht teilweise und wird verbraucht, der Zinnbelag wird aufgezehrt; damit sinkt das Potenzial der Chlorelektrode (Nernst), bis nach etwa 8 min kaum noch Chlor vorhanden ist und die Spannung gegen null geht. Die gespeicherte Energie ist also viel kleiner als die bei der Elektrolyse zugeführte.
Vanadium-Redox-Flow-Speicher
AFB II–IIIEin Windpark speichert Überschussstrom in einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie. Zwei Tanks mit je 10 m³ schwefelsaurer Lösung (c(Vanadium) = 1,6 mol/L) werden durch eine Zelle gepumpt, deren Halbzellen eine Membran trennt. Beim Entladen reagieren:
Pluspol: \(\ce{VO2+ + 2 H+ + e- -> VO^2+ + H2O}\), \(E^\circ = +1{,}00\,\text{V}\)
Minuspol: \(\ce{V^2+ -> V^3+ + e-}\), \(E^\circ(\ce{V^3+}/\ce{V^2+}) = -0{,}26\,\text{V}\)
Betriebsdaten: Ladespannung 1,60 V, mittlere Entladespannung 1,30 V; nutzbar sind 80 % des Vanadiums; \(F = 96\,485\,\text{C/mol}\).
- Ermitteln Sie die Oxidationszahlen des Vanadiums in allen vier Teilchen und formulieren Sie die Gesamtgleichung des Entladens.
- Erläutern Sie das Laden als Elektrolyse; gehen Sie auf Pole, Elektrodennamen und Energieumwandlung ein.
- Berechnen Sie die beim Entladen nutzbare elektrische Energie in kWh.
- Beurteilen Sie die Effizienz des Speichers anhand der Spannungen und diskutieren Sie einen Vorteil gegenüber einer Zelle mit Metallabscheidung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
VO₂⁺: +V, VO²⁺: +IV, V²⁺: +II, V³⁺: +III. Entladen: \(\ce{VO2+ + V^2+ + 2 H+ -> VO^2+ + V^3+ + H2O}\); \(\Delta E^\circ = 1{,}00\,\text{V} - (-0{,}26\,\text{V}) = 1{,}26\,\text{V}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Beim Laden erzwingt eine äußere Spannung > 1,26 V die Rückreaktion: am Pluspol (jetzt Anode) \(\ce{VO^2+ + H2O -> VO2+ + 2 H+ + e-}\), am Minuspol (jetzt Kathode) \(\ce{V^3+ + e- -> V^2+}\). Die Pole bleiben, elektrische wird in chemische Energie umgewandelt und in den Tanks gespeichert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\ce{V}) = 10\,000\,\text{L} \cdot 1{,}6\,\tfrac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0{,}80 = 12\,800\,\text{mol} = n(\ce{e-})\) (z = 1). \(Q = 12\,800\,\text{mol} \cdot 96\,485\,\tfrac{\text{C}}{\text{mol}} = 1{,}235 \cdot 10^9\,\text{C}\); \(W = Q \cdot 1{,}30\,\text{V} = 1{,}61 \cdot 10^9\,\text{J} \approx 446\,\text{kWh}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Spannungswirkungsgrad \(1{,}30\,\text{V} / 1{,}60\,\text{V} \approx 81\,\%\); Rest geht als Wärme (Innenwiderstand, Überspannungen) verloren, dazu Pumpenergie. Vorteil: Alle Stoffe bleiben gelöst — keine Metallschicht, die ungleichmäßig wächst oder sich ablöst; Energie (Tankgröße) und Leistung (Zellfläche) lassen sich getrennt skalieren. Nachteil: geringe Energiedichte, großer Platzbedarf.