Reststrom, Gegenspannung, Überspannung — zehn Übungen dazu, warum Elektrolysen mehr Spannung brauchen als berechnet.
Dein Fortschritt:
0 / 0 Aufgaben
1
Übungsaufgaben
Zehn Übungen von AFB I bis AFB III — jede gibt dir sofort Rückmeldung, bei Schwierigkeiten helfen zwei gestufte Tipps.
A1
Aussagen zur Zersetzungsspannung
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
Reststrom, Gegenspannung und Überspannung auseinanderhalten.
Ansatz: Wodurch wird der Strom unterhalb U_Z gebremst?
Weiter: Gase sind kinetisch gehemmt.
A2
Die Kurve in Worten
AFB I
Nennen Sie die fehlenden Fachbegriffe zur Strom-Spannungs-Kurve einer Elektrolyse.
Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.
Bei kleiner Spannung fließt nur ein , weil die gebildeten Produkte eine aufbauen. Verlängert man den geraden Kurventeil bis zur U-Achse, erhält man die . Oberhalb davon steigt die Stromstärke an. Die Differenz zur berechneten Spannung heißt .
„exponentiell“ passt nicht: Der Anstieg wird vom ohmschen Widerstand der Lösung bestimmt. Die Nernst-Gleichung liefert nur den theoretischen Wert.
Ansatz: Drei Begriffe beschreiben Bereiche der Kurve.
Weiter: Die Differenz „kostet“ zusätzliche Spannung.
A3
Theoretische Zersetzungsspannungen
AFB I
Geben Sie zu jeder Salzlösung (Standardbedingungen, Metall an der Kathode, Halogen an der Anode) die theoretische Zersetzungsspannung an. E°: Zn −0,76 V, Ni −0,23 V, Cu +0,34 V, Br₂ +1,07 V, Cl₂ +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.
ΔE° = E°(Anodenpaar) − E°(Kathodenpaar). Je unedler das Metall und je edler das Halogen, desto größer die Spannung.
Ansatz: Halogenpotenzial minus Metallpotenzial.
Weiter: Vorzeichen des Metallpotenzials beachten.
A4
Wasser zersetzen
AFB II
Verdünnte Schwefelsäure wird zwischen glatten Platinelektroden elektrolysiert (H₂ an der Kathode, O₂ an der Anode). Ermitteln Sie mithilfe der Tabelle die Zersetzungsspannung.
η in V
Pt plat.
Pt glatt
Graphit
Pb
Zn
H₂
0,07
0,16
0,62
0,71
0,77
O₂
0,77
0,95
0,95
0,81
—
Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
\(\Delta E\) =V
Summe der Überspannungen =V
\(U_Z\) =V
\(\Delta E = E(\ce{O2}) - E(\ce{H2}) = 1{,}23\,\text{V}\) (bei jedem pH-Wert gleich). Überspannungen an glattem Platin: 0,95 V + 0,16 V = 1,11 V; \(U_Z = 2{,}34\,\text{V}\). Häufiger Fehler: die Kathoden-Überspannung abziehen statt addieren.
Ansatz: E°(O₂/H₂O) = 1,23 V, E°(H₃O⁺/H₂) = 0 V.
Weiter: Beide Beträge addieren.
A5
Was verändert was?
AFB II
Ordnen Sie zu: Beeinflusst die Größe die theoretische Spannung ΔE, die Überspannung η oder beides?
Setze alle zutreffenden Kreuze — in manchen Zeilen passen mehrere. Enter setzt und löscht.
Einflussgröße
ΔE
η
Elektrodenmaterial
Stromdichte
Temperatur
Ionen-Konzentration
Rauigkeit
ΔE hängt nach Nernst von Konzentrationen und Temperatur ab; die Überspannung ist eine kinetische Hemmung und hängt von Material, Oberfläche, Stromdichte und Temperatur ab.
Ansatz: Nernst-Gleichung: Welche Größen stehen darin?
Weiter: Überspannung = Hemmung an der Oberfläche.
A6
Stellschrauben der Wasserelektrolyse
AFB II
Ausgangspunkt ist die Elektrolyse verdünnter Schwefelsäure an platinierten Platinelektroden. Schätzen Sie ab, wie sich die Zersetzungsspannung bei jeder Änderung verhält (Tabelle aus Aufgabe 4).
Wähle für jede Zeile eine Stufe: 1 = sinkt deutlich, 2 = sinkt etwas, 3 = bleibt gleich, 4 = steigt etwas, 5 = steigt deutlich. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = sinkt deutlich5 = steigt deutlich
Die Säure wird zehnfach verdünnt.
Die Kathode wird durch Blei ersetzt.
Beide Elektroden werden durch glattes Platin ersetzt.
Die Lösung wird von 20 °C auf 60 °C erwärmt.
Bei gleicher Stromstärke werden doppelt so große Elektroden benutzt.
Trick in Zeile 1: Beide Potenziale sinken um 0,059 V je pH-Stufe, ΔE bleibt 1,23 V. Blei erhöht η(H₂) um 0,64 V; glattes Platin um insgesamt 0,27 V. Wärme und kleinere Stromdichte verringern die Hemmung.
Ansatz: Verdünnen ändert den pH-Wert an beiden Elektroden.
Weiter: Größere Fläche heißt kleinere Stromdichte.
A7
Hochregeln Schritt für Schritt
AFB II
Die Spannung an einer Zinkbromid-Lösung wird langsam von 0 V an erhöht. Beschreiben Sie die Vorgänge in der richtigen Reihenfolge.
Ziehe die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Spuren von Zink und Brom bilden sich an den Elektroden.
2Die Produkte bilden eine galvanische Zelle mit wachsender Gegenspannung.
3Nur ein kleiner Reststrom fließt, weil Brom langsam wegdiffundiert.
4Die äußere Spannung übersteigt die größtmögliche Gegenspannung.
5Die Stromstärke steigt linear, Zink und Brom entstehen fortlaufend.
Die Gegenspannung folgt der äußeren Spannung, bis die Produkte nicht mehr angereichert werden können — dann ist die Zersetzungsspannung erreicht.
Ansatz: Zuerst entstehen winzige Mengen der Produkte.
Weiter: Der lineare Anstieg kommt zuletzt.
A8
Protokollcheck: Zinkbromid
AFB III
Eine Gruppe hat die Strom-Spannungs-Kurve einer Zinkbromid-Lösung (c = 1 mol/L) an Graphit ausgewertet. Überprüfen Sie die Auswertung und markieren Sie die falschen Zeilen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
Überspannung ist eine Frage der Stromdichte, nicht der Stromstärke.
Ansatz: Was genau ist die Zersetzungsspannung?
Weiter: Drei Zeilen sind falsch.
A9
Mix: Nernst trifft Zersetzungsspannung
AFB III
Eine Zinkbromid-Lösung mit \(c(\ce{ZnBr2}) = 0{,}010\,\text{mol/L}\) wird elektrolysiert; an der Anode sei das Brom in Standardkonzentration. Berechnen Sie mit der Nernst-Gleichung (4.2.6) die theoretische Zersetzungsspannung (E°: Zn −0,76 V, Br₂ +1,07 V).
Rechne selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
\(E(\ce{Zn}) = -0{,}76 + \tfrac{0{,}059}{2} \lg 0{,}010 = -0{,}819\,\text{V}\); \(c(\ce{Br-}) = 0{,}020\,\text{mol/L}\): \(E(\ce{Br2}) = 1{,}07 - 0{,}059 \cdot \lg 0{,}020 = 1{,}170\,\text{V}\); \(\Delta E = 1{,}99\,\text{V}\). Typische Fehler: c(Br⁻) = 0,010 statt 0,020 mol/L oder das Vorzeichen bei der Bromidelektrode (Br⁻ ist die reduzierte Form).
Ansatz: Pro Formeleinheit ZnBr₂ zwei Bromid-Ionen.
Weiter: Br⁻ steht bei Br₂/Br⁻ im Nenner: E sinkt mit steigendem c(Br⁻).
A10
Trickaufgabe: Zink aus saurer Lösung
AFB III
Zink wird industriell aus schwefelsaurer Zinksulfat-Lösung (pH ≈ 1) elektrolytisch abgeschieden — obwohl E°(Zn²⁺/Zn) = −0,76 V viel negativer ist als E(H₃O⁺/H₂) ≈ −0,06 V. Beurteilen Sie die Aussagen (Tabelle aus Aufgabe 4).
Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Die hohe Wasserstoff-Überspannung an Zink kehrt die Reihenfolge um. Stärker saure Lösung verschiebt E(H₂) nach oben; Fremdmetalle mit kleiner H₂-Überspannung bilden Stellen, an denen doch Wasserstoff entsteht.
Ansatz: Rechne −0,06 V − 0,77 V.
Weiter: Die Überspannung hängt vom Material der Kathodenoberfläche ab.
