Das Standardpotenzial von Nickel
AFB I–IIM1 zeigt eine Messanordnung zur Bestimmung des Standardpotenzials von Nickel (25 °C). Die Nickelelektrode ist mit dem Minus-Anschluss des Voltmeters verbunden; die Anzeige ist positiv.
- Beschreiben Sie den Aufbau der Standard-Wasserstoffelektrode einschließlich der Standardbedingungen.
- Erläutern Sie die Aufgaben des platinierten Platinblechs und der Glasglocke.
- Bestimmen Sie aus M1 das Standardpotenzial \(E^\circ(\ce{Ni^2+}/\ce{Ni})\) mit Vorzeichen.
- Formulieren Sie die Vorgänge an beiden Elektroden während einer kurzen Stromentnahme.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Platiniertes Platinblech, das in Salzsäure mit \(c(\ce{H3O+}) = 1\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) taucht und von Wasserstoffgas (\(p = 1013\,\mathrm{hPa}\)) umspült wird; eine Glasglocke umschließt das Blech, das Gas perlt hindurch; 25 °C. Redoxpaar \(\ce{H2}/\ce{H3O+}\), festgelegt \(E^\circ = 0\,\mathrm{V}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Platin ist ein reaktionsträger Elektronenleiter; die feinverteilte Platinschicht vergrößert die Oberfläche und beschleunigt die Einstellung des Gleichgewichts \(\ce{H2 + 2 H2O <=> 2 H3O+ + 2 e-}\) (katalytische Wirkung). Die Glasglocke hält das Wasserstoffgas am Blech, sodass es zugleich mit Gas und Lösung in Kontakt ist.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Nickel ist Minuspol, der Betrag ist 0,26 V: \(E^\circ(\ce{Ni^2+}/\ce{Ni}) = -0{,}26\,\mathrm{V}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Minuspol (Anode, Nickel): \(\ce{Ni -> Ni^2+ + 2 e-}\). Pluspol (Kathode, Wasserstoffelektrode): \(\ce{2 H3O+ + 2 e- -> H2 + 2 H2O}\). Elektronen fließen im Draht vom Nickel zum Platin.
Eine handlichere Bezugselektrode
AFB II–IIIIm Labor ist die Standard-Wasserstoffelektrode unhandlich. Man nutzt stattdessen häufig eine Silber/Silberchlorid-Bezugselektrode (Silberdraht mit Silberchlorid-Schicht in Kaliumchlorid-Lösung); ihr Potenzial beträgt gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode \(+0{,}22\,\mathrm{V}\). Mit ihr werden drei Metall-Halbzellen unter Standardbedingungen gemessen (M2); M3 nennt Standardpotenziale möglicher Metalle.
| Halbzelle | Anzeige | Minuspol |
|---|---|---|
| Kupfer/Kupfer(II) | 0,12 V | Bezugselektrode |
| Nickel/Nickel(II) | 0,48 V | Nickel |
| Metall X / X²⁺ | 0,66 V | Metall X |
| Redoxpaar | \(\ce{Mg^2+}/\ce{Mg}\) | \(\ce{Fe^2+}/\ce{Fe}\) | \(\ce{Sn^2+}/\ce{Sn}\) | \(\ce{Pb^2+}/\ce{Pb}\) |
|---|---|---|---|---|
| \(E^\circ\) in V | −2,37 | −0,44 | −0,14 | −0,13 |
- Begründen Sie, warum im Laboralltag Bezugselektroden wie die Silber/Silberchlorid-Elektrode statt der Standard-Wasserstoffelektrode verwendet werden.
- Ermitteln Sie aus M2 die Standardpotenziale von Kupfer und Nickel gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode.
- Ordnen Sie das Metall X begründet einem Metall aus M3 zu.
- Beurteilen Sie die Aussage: „Mit der Silberchlorid-Elektrode erhält man andere, also falsche Standardpotenziale.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Standard-Wasserstoffelektrode braucht eine ständige Zufuhr von reinem Wasserstoffgas (Druckflasche, Explosionsgefahr), eine exakt eingestellte Säure und ein empfindliches platiniertes Platinblech, das leicht „vergiftet“ wird. Die Silber/Silberchlorid-Elektrode ist klein, robust, liefert ein stabiles, reproduzierbares Potenzial und kommt ohne Gas aus.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Kupfer ist Pluspol und liegt 0,12 V über der Bezugselektrode: \(E^\circ = 0{,}22 + 0{,}12 = +0{,}34\,\mathrm{V}\).
Nickel ist Minuspol und liegt 0,48 V darunter: \(E^\circ = 0{,}22 - 0{,}48 = -0{,}26\,\mathrm{V}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(E^\circ(\text{X}) = 0{,}22 - 0{,}66 = -0{,}44\,\mathrm{V}\) — das entspricht \(\ce{Fe^2+}/\ce{Fe}\). Magnesium läge viel tiefer, Zinn und Blei deutlich höher. X ist Eisen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage ist falsch. Gemessen wird gegen einen anderen Nullpunkt; die Anzeigen sind um 0,22 V verschoben, die Abstände zwischen den Halbzellen bleiben aber gleich. Nach Umrechnung (+0,22 V) ergeben sich exakt die tabellierten Standardpotenziale (s. b)). Die Wahl der Bezugselektrode ist eine Vereinbarung; man muss sie beim Angeben der Werte nur nennen.