Minuspol, Anode, Salzbrücke: Wer die Rollen sicher verteilt, versteht jede Batterie.
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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
Wer macht was?
AFB I
Ordnen Sie jedem Bauteil einer galvanischen Zelle seine Aufgabe zu.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Elektronen fließen nur im Draht, Ionen nur in Lösungen und Salzbrücke. Anode und Kathode werden über den Vorgang definiert, nicht über das Vorzeichen.
Elektronenleiter vs. Ionenleiter.
Anode — Oxidation (beide mit Vokal am Anfang).
A2
Magnesium gegen Blei
AFB I
In einer Zelle \(\ce{Mg | Mg^2+ || Pb^2+ | Pb}\) laufen verschiedene Vorgänge ab. Ordnen Sie jeden Vorgang dem Ort zu, an dem er stattfindet.
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).
1Anode (Minuspol)
2Kathode (Pluspol)
3Salzbrücke
Magnesium ist das unedlere Metall: Anode und Minuspol. Die Salzbrücke gleicht die Ladungen aus — Anionen zur Anode (dort entstehen Kationen), Kationen zur Kathode (dort verschwinden Kationen).
Welches Metall ist unedler?
Ionen wandern dorthin, wo Ladung ausgeglichen werden muss.
A3
Die Zellschreibweise
AFB I
Eine galvanische Zelle besteht aus einer Nickel-Halbzelle und einer Kupfer-Halbzelle. Geben Sie die Zellschreibweise an.
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.
Links steht die Minuspol-Halbzelle (Anode, hier das unedlere Nickel), rechts die Pluspol-Halbzelle; innerhalb der Halbzelle vom Metall zur Lösung bzw. von der Lösung zum Metall, sodass die Salzbrücke „||“ in der Mitte steht: \(\ce{Ni | Ni^2+ || Cu^2+ | Cu}\).
Der Minuspol steht links.
„||“ symbolisiert die Salzbrücke zwischen den Lösungen.
A4
Salzbrücke weg — was nun?
AFB II
Aus einer arbeitenden galvanischen Zelle wird die Salzbrücke herausgenommen. Erklären Sie die Folgen — markieren Sie alle zutreffenden Aussagen.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Ein Stromkreis braucht einen geschlossenen Weg: Elektronen im Draht, Ionen in Lösungen und Salzbrücke. Fehlt der Ionenleiter, würden schon winzige Ladungsmengen die Reaktion stoppen.
Der Stromkreis besteht aus zwei Leiterarten.
Drei Aussagen sind richtig.
A5
Der Weg der Ladung
AFB II
Beschreiben Sie den Ladungstransport in der Zelle \(\ce{Mg | Mg^2+ || Pb^2+ | Pb}\), indem Sie die Schritte in eine sinnvolle Reihenfolge bringen.
Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Magnesium-Atome geben an der Elektrode Elektronen ab und gehen als Mg²⁺ in Lösung.
2Die Elektronen fließen durch den Draht und den Verbraucher zur Bleielektrode.
3An der Oberfläche der Bleielektrode nehmen Pb²⁺-Ionen die Elektronen auf und scheiden sich ab.
4In der Bleinitrat-Lösung fehlen nun Kationen, in der Magnesium-Lösung gibt es zu viele.
5Ionen aus der Salzbrücke gleichen aus: K⁺ zur Blei-, NO₃⁻ zur Magnesium-Halbzelle.
Ein geschlossener Kreislauf: außen Elektronen vom Minus- zum Pluspol, innen Ionen, die die Lösungen elektrisch neutral halten.
Beginnen Sie an der Anode.
Der Ladungsausgleich über die Salzbrücke steht am Ende.
A6
Wärme oder Strom?
MixAFB II
Magnesium reagiert mit Kupfer(II)-Ionen: \(\ce{Mg + Cu^2+ -> Mg^2+ + Cu}\). Berechnen Sie mit \(\Delta_f H^\circ(\ce{Mg^2+}, aq) = -466{,}9\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) und \(\Delta_f H^\circ(\ce{Cu^2+}, aq) = +64{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) die Reaktionsenthalpie und die Wärme, die frei wird, wenn \(0{,}020\,\mathrm{mol}\) Magnesium direkt in Kupfersulfat-Lösung reagieren.
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.
\(\Delta_r H^\circ\)\(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)
frei werdende WärmekJ
\(\Delta_r H^\circ = -466{,}9 - 64{,}8 = -531{,}7\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (Elemente 0). \(Q = 0{,}020\cdot 531{,}7 \approx 10{,}6\,\mathrm{kJ}\). Bei direktem Kontakt wird die Energie als Wärme frei; in der galvanischen Zelle sind Oxidation und Reduktion räumlich getrennt — die Elektronen müssen durch den Draht, und ein großer Teil der Energie wird als elektrische Energie nutzbar.
Satz von Hess mit Bildungsenthalpien (Kapitel 1).
Die Wärme ist der Betrag von n · ΔrH.
A7
Anode, Kathode, Plus und Minus
AFB II
Erläutern Sie die Bezeichnungen der Elektroden einer galvanischen Zelle. Vervollständigen Sie den Text — zwei 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.
Die Elektrode, an der oxidiert wird, heißt . In der galvanischen Zelle ist sie der , denn dort werden Elektronen und sammeln sich im Metall. An der werden Elektronen ; ihr fehlen Elektronen, sie ist der .
Übrig bleiben „Salzbrücke“ und „Elektrolyt“. Merke: Die Namen Anode/Kathode hängen am Vorgang (Oxidation/Reduktion), die Pole am Elektronenüberschuss.
Anode = Oxidation, Kathode = Reduktion.
Wo Elektronen entstehen, herrscht Elektronenüberschuss.
A8
Protokoll zur Blei-Kupfer-Zelle
AFB III
Ein Protokoll beschreibt die Zelle \(\ce{Pb | Pb^2+ || Cu^2+ | Cu}\) (gemessen: 0,47 V). Überprüfen Sie die Aussagen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Die Fehler betreffen die Definition von Anode/Kathode, den Unterschied Elektronen-/Ionenleiter und die Stoffbilanz an der Kathode.
Wo wird reduziert, wo oxidiert?
Drei Aussagen sind falsch.
A9
Massenbilanz der Nickel-Kupfer-Zelle
AFB III
In der Zelle \(\ce{Ni | Ni^2+ || Cu^2+ | Cu}\) hat die Kupferelektrode nach einiger Zeit um \(0{,}254\,\mathrm{g}\) zugenommen. Ermitteln Sie die Massenabnahme der Nickelelektrode (\(M(\ce{Cu}) = 63{,}55\), \(M(\ce{Ni}) = 58{,}69\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)).
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Stellen Sie die Gesamtgleichung auf: Wie viele Ni je Cu?
Gleiche Stoffmenge, aber andere molare Masse.
A10
Trickaufgabe: Welche Elektrode ist Minuspol?
TrickAFB III
Die Zellen werden jeweils aus den beiden Metallen in Lösungen ihrer Ionen gebaut. Entscheiden Sie für die jeweils zuerst genannte Elektrode.
Setzen Sie in jeder Zeile so viele Kreuze, wie zutreffen — es können mehrere, eines oder keines sein. Enter setzt und löscht.
Zelle (erste Elektrode zuerst)
erste Elektrode ist Minuspol
erste Elektrode ist Anode
Magnesium – Blei
Kupfer – Nickel
Kupfer – Gold
Aluminium – Nickel
Quecksilber – Kupfer
Zwei Fallen: Auch das „edle“ Kupfer wird zum Minuspol, wenn der Partner noch edler ist (Gold). Und in jeder galvanischen Zelle sind Anode und Minuspol dieselbe Elektrode — die beiden Spalten müssen daher immer gleich angekreuzt sein.
Entscheidend ist nur, welches der beiden Metalle unedler ist.
Anode und Minuspol fallen in der galvanischen Zelle zusammen.
