Laden und Entladen, Pole und Elektrodennamen, Mindestspannung und Energie — zehn Übungen zur Umkehrung.
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen von AFB I bis AFB III — jede gibt dir sofort Rückmeldung, bei Schwierigkeiten helfen zwei gestufte Tipps.
A1
Entladen oder Laden?
AFB I
Eine Zink-Brom-Zelle besteht aus einer Zinkelektrode und einer Graphitelektrode in Zinkbromid-Lösung, in der Brom gelöst ist. Ordnen Sie jede Angabe dem Entladen (galvanisch) oder dem Laden (Elektrolyse) zu.
Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1Entladen (galvanisch)
2Laden (Elektrolyse)
Beim Laden läuft jede Teilreaktion rückwärts. Die Graphitelektrode ist in beiden Fällen der Pluspol — nur ihr Name wechselt.
Ansatz: Welche Reaktion ist die freiwillige?
Weiter: Zink ist das Reduktionsmittel der freiwilligen Reaktion.
A2
Aussagen zur Umkehrbarkeit
AFB I
Entscheiden Sie, ob die Aussage zutrifft.
Fünf Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Pole folgen aus der Lage in der Spannungsreihe, Elektrodennamen aus dem Vorgang.
Ansatz: Gleichnamige Pole werden beim Laden verbunden.
Weiter: Die Kathode bleibt Ort der Reduktion.
A3
Ladereaktion aufstellen
AFB I
Formulieren Sie die Gesamtgleichung für das Laden der Zink-Brom-Zelle aus Aufgabe 1.
Setze den Bauplan von links nach rechts zusammen. Ein Klick legt den Baustein auf den nächsten freien Platz, ein Klick im Bauplan legt ihn zurück. Enter funktioniert genauso.
Beim Laden entstehen die energiereichen Stoffe Zink und Brom. Brom ist zweiatomig, deshalb reagieren zwei Bromid-Ionen je Zink-Ion.
Ansatz: Laden = Umkehrung des Entladens.
Weiter: Auf der Produktseite stehen die Elemente.
A4
Nickel-Chlor-Zelle laden
AFB II
Eine Zelle Ni | Ni²⁺ ‖ Cl⁻ | Cl₂ (Pt) soll 30 min lang mit \(I = 0{,}50\,\text{A}\) geladen werden (E°(Zn²⁺/Zn) = −0,76 V, E°(Fe²⁺/Fe) = −0,41 V, E°(Ni²⁺/Ni) = −0,23 V, E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V, E°(Ag⁺/Ag) = +0,80 V, E°(Br₂/Br⁻) = +1,07 V, E°(Cl₂/Cl⁻) = +1,36 V; \(F = 96\,485\,\text{C/mol}\), \(M(\ce{Ni}) = 58{,}69\,\text{g/mol}\)). Berechnen Sie schrittweise.
Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
Ansatz: ΔE° = E°(Akzeptor) − E°(Donator) der Entladereaktion.
Weiter: Q = I · t, n(e⁻) = Q / F.
A5
Mindestspannung zum Laden
AFB II
Ermitteln Sie für jede Zelle die theoretische Mindestspannung, die beim Laden überschritten werden muss (Standardbedingungen; E°(Zn²⁺/Zn) = −0,76 V, E°(Fe²⁺/Fe) = −0,41 V, E°(Ni²⁺/Ni) = −0,23 V, E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V, E°(Ag⁺/Ag) = +0,80 V, E°(Br₂/Br⁻) = +1,07 V, E°(Cl₂/Cl⁻) = +1,36 V).
Klicke links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Die Mindestspannung beim Laden entspricht der Zellspannung beim Entladen: ΔE° = E°(Pluspol) − E°(Minuspol).
Ansatz: Immer das größere minus das kleinere Potenzial.
Weiter: Vorzeichen beachten: −(−0,76) = +0,76.
A6
Laden und Entladen im Versuch
AFB II
Eine Zinkbromid-Lösung wird zwischen zwei Graphitelektroden elektrolysiert; danach wird die Quelle durch einen kleinen Motor ersetzt. Stellen Sie die Vorgänge in der richtigen Reihenfolge dar.
Ziehe die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Die Spannungsquelle drückt Elektronen in die mit ihrem Minuspol verbundene Elektrode.
2Dort scheidet sich Zink ab, an der anderen Elektrode entsteht Brom.
3Die Quelle wird entfernt und der Motor angeschlossen.
4Zink wird oxidiert, Brom reduziert — Elektronen fließen durch den Motor.
5Der Motor bleibt stehen, sobald Zink oder Brom verbraucht ist.
Aus der Elektrolysezelle wird nach dem Abklemmen eine galvanische Zelle. Die mit Zink bedeckte Elektrode bleibt Minuspol, ist beim Entladen aber Anode.
Ansatz: Erst laden, dann entladen.
Weiter: Der Motor läuft nur, solange beide Reaktionspartner vorhanden sind.
A7
Galvanische Zelle oder Elektrolyse?
AFB II
Vergleichen Sie beide Zelltypen: Kreuzen Sie an, wofür die Aussage zutrifft.
Setze alle zutreffenden Kreuze — in manchen Zeilen passen mehrere. Enter setzt und löscht.
Aussage
galvanische Zelle
Elektrolyse
Die Anode ist der Minuspol.
Die Anode ist der Pluspol.
An der Anode wird oxidiert.
Die ablaufende Zellreaktion hat ΔG < 0.
Eine äußere Spannungsquelle ist nötig.
Kationen wandern zur Kathode.
Gemeinsam: Anode = Oxidation, Kathode = Reduktion, Kationen wandern zur Kathode. Verschieden: Polung von Anode/Kathode und die Freiwilligkeit.
Ansatz: Manche Zeilen gelten für beide.
Weiter: Kationen wandern immer zu der Elektrode, an der reduziert wird.
A8
Protokollcheck: Kupfer-Silber-Zelle
AFB III
Eine Kupfer-Silber-Zelle (Cu | Cu²⁺ ‖ Ag⁺ | Ag) wurde entladen und anschließend mit einem Netzgerät geladen. Überprüfen Sie das Protokoll und markieren Sie die falschen Zeilen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
Beim Laden kehren sich alle Vorgänge um — Elektronen, Ionenwanderung und Elektrodennamen —, die Pole nicht.
Ansatz: Welche Halbzelle bildet beim Laden Kationen?
Weiter: Drei Zeilen sind falsch.
A9
Mix: Energie zum Laden
AFB III
Die Zink-Brom-Zelle liefert unter Standardbedingungen \(\Delta E^\circ = 1{,}83\,\text{V}\). Verknüpfen Sie mit der freien Enthalpie (1.4.3): Bestimmen Sie \(\Delta G^\circ\) der Ladereaktion \(\ce{Zn^2+ + 2 Br- -> Zn + Br2}\) in kJ/mol (\(F = 96\,485\,\text{C/mol}\)).
Rechne selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
Entladen: \(\Delta G^\circ = -z \cdot F \cdot \Delta E^\circ = -2 \cdot 96\,485\,\tfrac{\text{C}}{\text{mol}} \cdot 1{,}83\,\text{V} = -353\,\text{kJ/mol}\). Die Ladereaktion ist die Umkehrung: \(\Delta G^\circ = +353\,\text{kJ/mol}\) — so viel elektrische Energie muss mindestens zugeführt werden. Typische Fehler: z = 1 oder Vorzeichen vergessen.
Ansatz: ΔG° = −z · F · ΔE° gilt für die freiwillige Richtung.
Weiter: C · V = J; umgekehrte Reaktion, umgekehrtes Vorzeichen.
A10
Trickaufgabe: zu schwaches Ladegerät
AFB III
Eine Zelle mit einer Leerlaufspannung von 1,50 V wird „richtig herum“ (Minus an Minus) an ein Netzgerät mit nur 1,20 V angeschlossen. Beurteilen Sie die Aussagen.
Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Die Richtung des Stroms entscheidet der Spannungsvergleich: Nur wenn die äußere Spannung die Zellspannung übersteigt, kehrt sich der Vorgang um. Bei Gleichstand heben sich beide auf.
Ansatz: Zwei Spannungsquellen gegeneinander geschaltet — welche gewinnt?
Weiter: Laden ist erst oberhalb der Zellspannung möglich.
