Metalle im Tauchversuch
AFB I–IIIn einer Versuchsreihe werden blanke Streifen aus Nickel, Blei und Kupfer jeweils in Lösungen der Sulfate bzw. Nitrate der anderen beiden Metalle gestellt (Konzentration jeweils \(0{,}1\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)). M1 zeigt die Beobachtungen nach zehn Minuten.
| Metallstreifen | \(\ce{Ni^2+}\)-Lösung (grün) | \(\ce{Pb^2+}\)-Lösung (farblos) | \(\ce{Cu^2+}\)-Lösung (blau) |
|---|---|---|---|
| Nickel | — | grauer, schwammiger Belag | rotbrauner Belag |
| Blei | keine Veränderung | — | rotbrauner Belag |
| Kupfer | keine Veränderung | keine Veränderung | — |
- Formulieren Sie für alle Ansätze mit Belag die Redoxgleichungen.
- Ordnen Sie die drei Metalle nach ihrer Neigung, Elektronen abzugeben, und begründen Sie die Reihenfolge mit M1.
- Erklären Sie mit dem Modell der Doppelschicht, welche der drei Halbzellen Ni/Ni²⁺, Pb/Pb²⁺ und Cu/Cu²⁺ das negativste Elektrodenpotenzial besitzt.
- Skizzieren Sie die Doppelschicht einer Nickel-Halbzelle auf Teilchenebene (Metallgitter, Elektronen, Ionen, Wassermoleküle vereinfacht).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{Ni + Pb^2+ -> Ni^2+ + Pb}\); \(\ce{Ni + Cu^2+ -> Ni^2+ + Cu}\); \(\ce{Pb + Cu^2+ -> Pb^2+ + Cu}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ni > Pb > Cu. Nickel reduziert \(\ce{Pb^2+}\) und \(\ce{Cu^2+}\), Blei nur \(\ce{Cu^2+}\), Kupfer keines der beiden Ionen. Nickel ist also das unedelste, Kupfer das edelste der drei Metalle.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Aus dem unedelsten Metall gehen am leichtesten Ionen in Lösung; bis zur Einstellung des Gleichgewichts \(\ce{Ni <=> Ni^2+ + 2 e-}\) bleiben viele Elektronen zurück. Der Elektronenüberschuss und damit die negative Aufladung sind bei Nickel am größten: Ni/Ni²⁺ hat das negativste Elektrodenpotenzial, Cu/Cu²⁺ das am wenigsten negative.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Skizze: Nickelstab mit Elektronen (−) an der Oberfläche; unmittelbar davor in der Lösung eine Schicht hydratisierter \(\ce{Ni^2+}\)-Ionen (+); weiter entfernt gleichmäßig verteilte \(\ce{Ni^2+}\)- und \(\ce{SO4^2-}\)-Ionen. Pfeile in beide Richtungen deuten Lösen und Abscheiden an (dynamisches Gleichgewicht). Beschriftung: „Elektronenüberschuss“, „Kationenschicht“.
Spannung zwischen zwei Halbzellen
AFB II–IIIZwei Halbzellen werden wie in M2 über einen Draht mit hochohmigem Voltmeter und einen mit Kaliumnitrat-Lösung getränkten Stromschlüssel verbunden (alle Salzlösungen \(c = 1\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\), 25 °C). M3 enthält die Messwerte für drei Kombinationen.
| Kombination | gemessene Spannung | negativer Pol |
|---|---|---|
| Ni/Ni²⁺ gegen Cu/Cu²⁺ | 0,60 V | Nickel |
| Pb/Pb²⁺ gegen Cu/Cu²⁺ | 0,47 V | Blei |
| Ni/Ni²⁺ gegen Pb/Pb²⁺ | 0,13 V | Nickel |
- Erläutern Sie, warum zwischen zwei verschiedenen Halbzellen eine Spannung auftritt, zwischen zwei gleichen aber nicht.
- Zeigen Sie, dass die drei Messwerte aus M3 zueinander passen.
- Vermuten Sie begründet, wie sich die Spannung Ni/Cu ändert, wenn die Nickelsulfat-Lösung auf \(0{,}01\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) verdünnt wird.
- Beurteilen Sie den Vorschlag, eine Nickel-Halbzelle als festen Vergleichspunkt zu nehmen und alle anderen Halbzellen dagegen zu messen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Jede Halbzelle baut eine Doppelschicht auf; die Größe des Elektronenüberschusses hängt vom Metall ab. Das Elektrodenpotenzial von Nickel ist negativer als das von Kupfer; das Voltmeter misst die Differenz der beiden Potenziale. Zwei gleiche Halbzellen haben dasselbe Potenzial, die Differenz ist null.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ordnet man die Potenziale auf einer Achse, liegt Pb zwischen Ni und Cu: \(U(\text{Ni/Pb}) + U(\text{Pb/Cu}) = 0{,}13\,\mathrm{V} + 0{,}47\,\mathrm{V} = 0{,}60\,\mathrm{V} = U(\text{Ni/Cu})\). Die Spannungen verhalten sich wie Höhenunterschiede und addieren sich; auch die Minuspole (immer das unedlere Metall) sind konsistent.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Beim Verdünnen sinkt \(c(\ce{Ni^2+})\); nach Le Chatelier verschiebt sich \(\ce{Ni <=> Ni^2+ + 2 e-}\) nach rechts. Es gehen mehr Ionen in Lösung, der Elektronenüberschuss im Nickel wächst, das Potenzial wird negativer. Vermutung: Die Spannung Ni/Cu wird etwas größer als 0,60 V (die genaue Berechnung ist nicht Gegenstand des Grundkurses).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Pro: Ein gemeinsamer Bezugspunkt macht alle Messwerte vergleichbar (wie in M3 bereits genutzt); jede Halbzelle erhält einen eigenen Wert, positive Werte für edlere, negative für unedlere Halbzellen.
Contra/Bedingungen: Der Bezugspunkt muss exakt reproduzierbar sein — Konzentration, Temperatur und Oberflächenzustand des Nickels müssen festgelegt werden, und Nickel kann sich oberflächlich verändern (Oxidschicht). Urteil: Die Idee ist sinnvoll; in der Praxis hat man sich auf eine besonders gut reproduzierbare Bezugshalbzelle geeinigt, deren Potenzial als null festgelegt ist.