Unsichtbar dünn, aber entscheidend: Was an der Grenze zwischen Metall und Lösung passiert.
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.
A1
Begriffe rund um die Halbzelle
AFB I
Ordnen Sie jedem Begriff die passende Beschreibung zu.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Die Halbzelle ist der Aufbau, die Doppelschicht die Ladungsverteilung an ihrer Oberfläche, das Elektrodenpotenzial deren elektrische Folge.
Das Redoxpaar erkennt man an der Schreibweise Ox/Red.
Die Doppelschicht besteht aus zwei Ladungsschichten.
A2
Stimmt das Modell?
AFB I
Entscheiden Sie, ob die Aussagen zur Doppelschicht zutreffen.
5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Kern des Modells: zwei gegenläufige Vorgänge, ein dynamisches Gleichgewicht und zwei entgegengesetzt geladene Schichten.
Denken Sie an das dynamische Gleichgewicht.
Unedle Metalle geben leicht Elektronen ab.
A3
Edel oder unedel?
AFB I
Ordnen Sie die Metalle als unedel oder edel ein.
Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1unedles Metall
2edles Metall
Unedle Metalle geben leicht Elektronen ab und lösen sich in Salzsäure (Blei und Zinn nur langsam). Gold, Platin und Quecksilber geben Elektronen schwer ab — Gold und Platin findet man deshalb gediegen in der Natur.
Welche Metalle korrodieren an Luft oder lösen sich in Säure?
Drei Metalle sind edel.
A4
Wer lädt sich am stärksten auf?
AFB II
Fünf Metalle tauchen jeweils in eine Lösung ihrer Ionen (gleiche Konzentration). Vergleichen Sie die Doppelschichten und ordnen Sie — den größten Elektronenüberschuss nach oben.
Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Aluminium
2Nickel
3Blei
4Quecksilber
5Gold
Je unedler das Metall, desto mehr Ionen gehen in Lösung und desto negativer das Elektrodenpotenzial. Die Reihenfolge entspricht der Redoxreihe der Metalle aus der Mittelstufe: Al vor Ni vor Pb vor Hg vor Au.
Das unedelste Metall gehört nach oben.
Blei ist unedel, aber nur knapp.
A5
Die Nickel-Halbzelle entsteht
AFB II
Beschreiben Sie den Aufbau der Doppelschicht an einem Nickelstab in Nickelsulfat-Lösung. Vervollständigen Sie den Text — drei Wörter bleiben übrig.
Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.
Taucht man den Stab ein, gehen zunächst -Ionen in Lösung; ihre Elektronen bleiben im . Der Stab lädt sich auf und zieht die Kationen an, die sich vor seiner Oberfläche sammeln. Weitere Ionen werden dadurch , während Ionen aus der Lösung abgeschieden werden. Bald laufen Lösen und Abscheiden gleich schnell — ein dynamisches .
Übrig bleiben „Sulfat“, „positiv“ und „Endzustand“. Die Sulfat-Ionen nehmen nicht teil; der Stab wird negativ; „Endzustand“ würde Stillstand bedeuten. Redoxpaar: \(\ce{Ni^2+}/\ce{Ni}\), \(\ce{Ni <=> Ni^2+ + 2 e-}\).
Welche Ionen können vom Metall in die Lösung gehen?
Im Gleichgewicht steht nichts still.
A6
Warum misst das Voltmeter nicht einfach?
AFB II
Ein Schüler möchte das Elektrodenpotenzial einer Blei-Halbzelle messen und hält ein Kabel des Voltmeters an den Bleistab, das andere in die Lösung. Begründen Sie, warum das nicht gelingt — markieren Sie alle zutreffenden Gründe.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Jeder Messpunkt in der Lösung ist selbst eine Elektrode mit eigener Doppelschicht. Man misst also immer den Unterschied zweier Elektrodenpotenziale — sinnvoll ist das nur mit einer zweiten, genau festgelegten Halbzelle.
Was passiert, wenn ein Metalldraht in eine Salzlösung taucht?
Drei Gründe sind richtig.
A7
Das Gleichgewicht an der Elektrode stören
MixAFB II
An einem Zinkblech in Zinksulfat-Lösung hat sich \(\ce{Zn <=> Zn^2+ + 2 e-}\) eingestellt. Untersuchen Sie mit dem Prinzip von Le Chatelier, in welche Richtung sich das Gleichgewicht nach jedem Eingriff verschiebt (oder gar nicht).
Setzen Sie in jeder Zeile so viele Kreuze, wie zutreffen — es können mehrere, eines oder keines sein. Enter setzt und löscht.
Eingriff
verschiebt nach rechts (mehr Lösen)
verschiebt nach links (mehr Abscheiden)
Zinksulfat-Kristalle werden in der Lösung aufgelöst.
Die Lösung wird stark mit Wasser verdünnt.
Ein doppelt so großes Zinkblech wird verwendet.
Zink-Ionen werden durch Zugabe von Soda als Zinkcarbonat gefällt.
Die Kationen werden durch Rühren gleichmäßig verteilt.
Höhere \(c(\ce{Zn^2+})\) drängt das Gleichgewicht nach links: weniger Elektronenüberschuss, das Blech wird weniger negativ. Verdünnen oder Entfernen von \(\ce{Zn^2+}\) wirkt umgekehrt. Das feste Metall steht — wie in Kapitel 2 — nicht im Gleichgewichtsausdruck; seine Menge verschiebt nichts.
Nur Konzentrationsänderungen gelöster Teilchen verschieben das Gleichgewicht.
Zwei Zeilen bleiben ohne Kreuz.
A8
Fehler im Protokoll
AFB III
Ein Protokoll erklärt die Doppelschicht. Überprüfen Sie jeden Satz.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Die Fehler verwechseln Ladungsrichtung, Gleichgewichtsart und die Rangfolge edel/unedel.
Prüfen Sie Vorzeichen und „dynamisch“ vs. „statisch“.
Drei Sätze sind falsch.
A9
Wie viele Ionen braucht eine Doppelschicht?
AFB III
Bis sich an einem Zinkblech das Gleichgewicht einstellt, gehen etwa \(3{,}0\cdot10^{15}\) Zink-Ionen in Lösung. Berechnen Sie Elektronenzahl, Ladung und Stoffmenge (\(e = 1{,}602\cdot10^{-19}\,\mathrm{C}\), \(N_A = 6{,}022\cdot10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}\)).
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt, negative Werte mit Minuszeichen.
zurückbleibende Elektronen in \(10^{15}\)\(\cdot 10^{15}\)
Ladung des Blechs in \(10^{-4}\,\mathrm{C}\)\(\cdot 10^{-4}\,\mathrm{C}\)
Stoffmenge gelöster Zink-Ionen in \(10^{-9}\,\mathrm{mol}\)\(\cdot 10^{-9}\,\mathrm{mol}\)
Jedes \(\ce{Zn^2+}\) hinterlässt 2 Elektronen: \(6{,}0\cdot10^{15}\). \(Q = -6{,}0\cdot10^{15}\cdot 1{,}602\cdot10^{-19}\,\mathrm{C} \approx -9{,}6\cdot10^{-4}\,\mathrm{C}\) (negativ!). \(n = 3{,}0\cdot10^{15}/6{,}022\cdot10^{23} \approx 5{,}0\cdot10^{-9}\,\mathrm{mol}\) — wenige Nanogramm Zink: Die Doppelschicht bildet sich, ohne dass man etwas sieht.
Ein Zink-Ion trägt zwei Ladungen.
Das Blech trägt Elektronen — die Ladung ist negativ.
A10
Trickaufgabe: Zwei gleiche Halbzellen
TrickAFB III
Zwei Nickelbleche tauchen in zwei Bechergläser mit Nickelsulfat-Lösung derselben Konzentration und Temperatur; Blech B ist doppelt so groß wie Blech A. Die Lösungen sind leitend verbunden. Geben Sie die Spannung an, die ein Voltmeter zwischen den Blechen anzeigt.
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
V
Beide Halbzellen haben dasselbe Redoxpaar unter denselben Bedingungen und damit dasselbe Elektrodenpotenzial — die Differenz ist 0 V. Die Größe des Blechs ändert nur, wie viele Ionen insgesamt in Lösung gehen, nicht das Potenzial.
Das Voltmeter misst eine Differenz.
Hängt das Elektrodenpotenzial von der Blechgröße ab?
