Opferanode und Weißblech
AFB I–IIStahlschiffe und Pipelines rosten im Meerwasser. Man schraubt deshalb Magnesium- oder Zinkblöcke an den Stahl („Opferanoden“), die sich mit der Zeit auflösen, während der Stahl erhalten bleibt. Konservendosen bestehen dagegen aus Weißblech (Stahl mit Zinnüberzug), Dachrinnen oft aus verzinktem Stahl. M1 enthält Standardpotenziale.
| Redoxpaar | \(\ce{Mg^2+}/\ce{Mg}\) | \(\ce{Zn^2+}/\ce{Zn}\) | \(\ce{Fe^2+}/\ce{Fe}\) | \(\ce{Sn^2+}/\ce{Sn}\) | \(\ce{Cu^2+}/\ce{Cu}\) | \(\ce{O2}/\ce{H2O}\) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| \(E^\circ\) in V | −2,37 | −0,76 | −0,44 | −0,14 | +0,34 | +1,23 |
- Erklären Sie mit M1, warum ein leitend mit dem Stahl verbundener Magnesiumblock das Eisen vor der Oxidation schützt.
- Berechnen Sie die Spannung zwischen den Halbzellen \(\ce{Mg^2+}/\ce{Mg}\) und \(\ce{Fe^2+}/\ce{Fe}\) unter Standardbedingungen.
- Vergleichen Sie Weißblech und verzinkten Stahl für den Fall, dass die Schutzschicht bis auf den Stahl verkratzt wird.
- Beurteilen Sie, ob man ein Stahlblech mit Kupfernieten befestigen sollte.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Magnesium hat das viel kleinere Standardpotenzial (−2,37 V gegenüber −0,44 V) und ist das stärkere Reduktionsmittel. Sind beide leitend verbunden, gibt Magnesium die Elektronen ab (\(\ce{Mg -> Mg^2+ + 2 e-}\)); die Elektronen fließen in den Stahl, an dessen Oberfläche der Sauerstoff reduziert wird. Eisen wird nicht oxidiert — der Magnesiumblock „opfert“ sich und muss regelmäßig ersetzt werden.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\Delta E = -0{,}44\,\mathrm{V} - (-2{,}37\,\mathrm{V}) = 1{,}93\,\mathrm{V}\) (Akzeptor \(\ce{Fe^2+}\), Donator Mg).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Verzinkter Stahl: Zink (−0,76 V) ist unedler als Eisen und wird an der Kratzstelle bevorzugt oxidiert; es schützt das Eisen weiter wie eine Opferanode.
Weißblech: Zinn (−0,14 V) ist edler als Eisen. An der Kratzstelle wird nun Eisen oxidiert, Zinn bildet den Pluspol; die Korrosion des Stahls wird sogar beschleunigt. Gemeinsam ist beiden Überzügen, dass sie unbeschädigt den Kontakt zu Wasser und Sauerstoff verhindern.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Kupfer (+0,34 V) ist edler als Eisen. Bei Feuchtigkeit bilden Niete und Blech eine galvanische Zelle, in der Eisen die Anode ist und rund um die Niete verstärkt rostet (Kontaktkorrosion). Urteil: Kupfernieten sind für Stahlblech ungeeignet; man sollte gleichartige oder unedlere, isolierte Verbindungselemente wählen.
Eine Redoxreihe im Reagenzglas
AFB II–IIIIn einer Versuchsreihe werden Lösungen von Kaliumpermanganat (angesäuert), Bromwasser, Eisen(III)-chlorid und Iod-Kaliumiodid-Lösung jeweils mit Lösungen von Kaliumbromid, Eisen(II)-sulfat und Kaliumiodid gemischt. Iod färbt Stärkelösung blauschwarz; Brom färbt Heptan orange; Eisen(III)-Ionen färben Thiocyanat-Lösung tiefrot. M2 zeigt Ergebnisse.
| Oxidationsmittel | + \(\ce{KBr}\) | + \(\ce{FeSO4}\) | + \(\ce{KI}\) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{KMnO4}\) (sauer, violett) | entfärbt, Heptan orange | entfärbt, Thiocyanat rot | entfärbt, Stärke blau |
| Bromwasser (orange) | — | entfärbt, Thiocyanat rot | Stärke blau |
| \(\ce{FeCl3}\) (gelb) | keine Reaktion | — | Stärke blau |
| Iodlösung (braun) | keine Reaktion | keine Reaktion | — |
| Redoxpaar | \(\ce{MnO4-}/\ce{Mn^2+}\) | \(\ce{Br2}/\ce{Br-}\) | \(\ce{Fe^3+}/\ce{Fe^2+}\) | \(\ce{I2}/\ce{I-}\) |
|---|---|---|---|---|
| \(E^\circ\) in V | +1,51 | +1,07 | +0,77 | +0,54 |
- Formulieren Sie die Redoxgleichungen für die Reaktionen von Bromwasser mit Eisen(II)-sulfat und von Eisen(III)-chlorid mit Kaliumiodid.
- Leiten Sie aus M2 eine Rangfolge der vier Oxidationsmittel ab, ohne M3 zu verwenden.
- Überprüfen Sie Ihre Rangfolge mit M3 und berechnen Sie \(\Delta E\) für die Reaktion von \(\ce{Fe^3+}\) mit \(\ce{I-}\).
- Planen Sie einen Versuch, mit dem man zeigen kann, dass Iod Eisen(II)-Ionen nicht oxidiert, Eisen(III)-Ionen Iodid-Ionen dagegen schon. Geben Sie die erwarteten Beobachtungen an.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{Br2 + 2 Fe^2+ -> 2 Br- + 2 Fe^3+}\)
\(\ce{2 Fe^3+ + 2 I- -> 2 Fe^2+ + I2}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Permanganat oxidiert alle drei Reduktionsmittel, Brom zwei (\(\ce{Fe^2+}\), \(\ce{I-}\)), Eisen(III) nur Iodid, Iod keines. Rangfolge der Oxidationsmittel: \(\ce{MnO4-} > \ce{Br2} > \ce{Fe^3+} > \ce{I2}\); entsprechend ist \(\ce{I-}\) das stärkste Reduktionsmittel.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
M3 liefert dieselbe Reihenfolge (+1,51 > +1,07 > +0,77 > +0,54 V) — die Versuche bestätigen die Tabelle.
\(\Delta E = 0{,}77\,\mathrm{V} - 0{,}54\,\mathrm{V} = 0{,}23\,\mathrm{V} > 0\): Die Reaktion läuft freiwillig ab, wenn auch mit kleinem Abstand der Paare.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Ansatz 1: Eisen(II)-sulfat-Lösung (frisch, angesäuert) + Iodlösung, anschließend einige Tropfen Kaliumthiocyanat-Lösung: keine Rotfärbung, die braune Iodfarbe bleibt → kein \(\ce{Fe^3+}\) entstanden.
Ansatz 2: Eisen(III)-chlorid-Lösung + Kaliumiodid-Lösung, dann Stärkelösung: Blaufärbung → Iod entstanden.
Blindproben: Eisen(II)-sulfat-Lösung allein + Thiocyanat (schwach/keine Rotfärbung) und Kaliumiodid-Lösung allein + Stärke (keine Blaufärbung), um Verunreinigungen bzw. Luftoxidation auszuschließen.