Strom zwingt Reaktionen gegen ihre Richtung — aber erst ab der richtigen Spannung.
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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
Galvanische Zelle oder Elektrolyse?
AFB I
Ordnen Sie die Merkmale 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).
1galvanische Zelle
2Elektrolyse
3beide
Die Definition bleibt: Kathode = Reduktion, Anode = Oxidation. Nur die Zuordnung zu den Polen wechselt, weil bei der Elektrolyse die Quelle die Elektronen in die Kathode „drückt“.
Was ist in beiden Zelltypen gleich definiert?
Eine Karte gehört zu „beide“.
A2
Was scheidet sich an der Kathode ab?
AFB I
Ordnen Sie jeder Elektrolyse (Graphitelektroden) das Produkt an der Kathode zu.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
An der Kathode werden Kationen reduziert: Metall-Ionen zu Metall, Oxonium-Ionen zu Wasserstoff. In der Schmelze gibt es kein Wasser — dort entsteht sogar Natrium.
Kationen wandern zur Kathode.
In Salzsäure sind die Kationen Oxonium-Ionen.
A3
Kupferchlorid wird zerlegt
AFB I
Kupfer(II)-chlorid-Lösung wird zwischen Graphitelektroden elektrolysiert. Nennen Sie alle zutreffenden Aussagen.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Kathode (−): \(\ce{Cu^2+ + 2 e- -> Cu}\); Anode (+): \(\ce{2 Cl- -> Cl2 + 2 e-}\). In der Lösung wandern Ionen; die Kupfer-Ionen werden verbraucht, die Lösung wird heller.
Kationen zum Minuspol, Anionen zum Pluspol.
Drei Aussagen sind richtig.
A4
Mindestspannung für Kupferchlorid
AFB II
Berechnen Sie die Spannung \(\Delta E\), die bei der Elektrolyse einer Kupfer(II)-chlorid-Lösung (Standardbedingungen) mindestens überwunden werden muss.
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
V
Die entstehenden Stoffe bilden die galvanische Zelle \(\ce{Cu | Cu^2+ || Cl2, Cl- | C}\) mit \(\Delta E = 1{,}36 - 0{,}34 = 1{,}02\,\mathrm{V}\). Diese Gegenspannung muss die Quelle mindestens aufbringen; gemessen wird etwas mehr.
Welche galvanische Zelle entsteht aus den Elektrolyseprodukten?
ΔE = E°(Cl₂/Cl⁻) − E°(Cu²⁺/Cu).
A5
Sauerstoff an der Anode
AFB II
Bei der Elektrolyse von verdünnter Schwefelsäure entsteht an der Anode Sauerstoff. Formulieren Sie die Teilgleichung.
Klicken Sie die Bausteine in der richtigen Reihenfolge an — sie wandern nacheinander in die Plätze. Ein Klick auf einen belegten Platz gibt den Baustein zurück.
O: −II → 0, zwei O-Atome: 4 Elektronen. Ladung mit 4 \(\ce{H3O+}\) ausgleichen; dann stehen rechts 6 O und 12 H — links also 6 \(\ce{H2O}\): \(\ce{6 H2O -> O2 + 4 H3O+ + 4 e-}\).
Oxidation: Die Elektronen stehen rechts.
In saurer Lösung mit H₃O⁺ ausgleichen, dann Wasser zählen.
A6
Die Strom-Spannungs-Kurve
AFB II
Beschreiben Sie den typischen Verlauf der Strom-Spannungs-Kurve einer Elektrolyse. Vervollständigen Sie den Text — vier 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.
Bei kleinen Spannungen fließt Strom: Die ersten Spuren der Produkte bilden eine galvanische Zelle, deren der äußeren Spannung entgegenwirkt. Erst oberhalb der steigt die Stromstärke etwa an. Dieser Wert ist meist etwas als die aus Standardpotenzialen berechnete Spannung ΔE.
Übrig bleiben „stark“, „kleiner“, „exponentiell“ und „Aktivierungsenergie“. Die Zersetzungsspannung liest man ab, indem man den geraden Kurventeil bis zur U-Achse verlängert.
Warum fließt anfangs kaum Strom, obwohl Spannung anliegt?
ΔE ist nur eine Untergrenze.
A7
Energie für die Wasserzerlegung
MixAFB II
Wasser wird elektrolytisch zerlegt: \(\ce{2 H2O(l) -> 2 H2(g) + O2(g)}\). Ermitteln Sie mit \(\Delta_f H^\circ(\ce{H2O}, l) = -285{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) die Reaktionsenthalpie und die Enthalpie je Mol Wasserstoff.
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.
\(\Delta_r H^\circ\) für die Gleichung\(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)
Enthalpie je mol \(\ce{H2}\)\(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)
\(\Delta_r H^\circ = 0 - 2\cdot(-285{,}8) = +571{,}6\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) — stark endotherm (Kapitel 1). Je mol \(\ce{H2}\) müssen mindestens \(285{,}8\,\mathrm{kJ}\) zugeführt werden; bei der Elektrolyse geschieht das als elektrische Energie. Das positive Vorzeichen passt dazu, dass die Reaktion nicht freiwillig abläuft.
Elemente haben die Bildungsenthalpie 0.
In der Gleichung entstehen 2 mol H₂.
A8
Welche Elektrolyse braucht mehr Spannung?
AFB III
Schätzen Sie mit den Standardpotenzialen die Mindestspannungen der Elektrolysen ab und ordnen Sie sie — die kleinste nach oben (alle Lösungen 1 mol/L, Graphitelektroden).
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Nach der Elektrolyse ist der Aufbau eine galvanische Zelle Cu | Cu²⁺ || Cl₂, Cl⁻ | C: Die Polung bleibt gleich, die Rollen Anode/Kathode tauschen.
Pluspol der Elektrolyse = Anode.
Drei Aussagen sind falsch.
A10
Trickaufgabe: Umschalten auf die Lampe
TrickAFB III
Nach einer Kupfer(II)-chlorid-Elektrolyse wird die Spannungsquelle durch eine Lampe ersetzt; sie leuchtet kurz. Entscheiden Sie für jede Aussage, wann sie zutrifft.
Setzen Sie in jeder Zeile so viele Kreuze, wie zutreffen — es können mehrere, eines oder keines sein. Enter setzt und löscht.
Aussage
während der Elektrolyse
nach dem Umschalten
Die verkupferte Elektrode ist der Minuspol.
Die verkupferte Elektrode ist die Kathode.
An der Chlor-Elektrode wird oxidiert.
Im Draht fließen die Elektronen zur verkupferten Elektrode hin.
Chlor wird zu Chlorid-Ionen reduziert.
Die Falle: Die Pole bleiben gleich (Kupfer ist in beiden Fällen Minuspol), aber Reaktionsrichtung, Elektronenfluss und damit die Namen Anode/Kathode kehren sich um.
Pole ändern sich beim Umschalten nicht — die Stromrichtung schon.
