Ein Nullpunkt für alle Halbzellen — und warum das Vorzeichen des Messwerts so viel verrät.
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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
Was macht die Elektrode zur Standard-Wasserstoffelektrode?
AFB I
Nennen Sie alle Bedingungen, die für die Standard-Wasserstoffelektrode festgelegt sind.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Die Bedingungen legen das Redoxpaar \(\ce{H2}/\ce{H3O+}\) eindeutig fest. \(c(\ce{H3O+}) = 1\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) entspricht pH = 0, nicht pH = 7. Platin dient nur als reaktionsträger Elektronenleiter.
Vier Angaben sind richtig.
Denken Sie an Druck, Konzentration, Temperatur und Elektrodenmaterial.
A2
Mythen über den Nullpunkt
AFB I
Entscheiden Sie, ob die Aussagen stimmen.
5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Der Wert 0 V ist eine Vereinbarung für das Redoxpaar H₂/H₃O⁺ unter Standardbedingungen — nicht eine Eigenschaft des Platins.
Wurde der Nullpunkt gemessen oder festgelegt?
Die Reaktionsrichtung an der Wasserstoffelektrode hängt vom Partner ab.
A3
Vom Messwert zum Standardpotenzial
AFB I
Verschiedene Metall-Halbzellen werden unter Standardbedingungen gegen die Standard-Wasserstoffelektrode gemessen. Ordnen Sie jedem Messergebnis das Standardpotenzial zu.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Betrag = angezeigte Spannung, Vorzeichen = Pol der Metall-Halbzelle gegenüber der Wasserstoffelektrode.
Minuspol bedeutet negatives Vorzeichen.
Der Betrag ist der angezeigte Wert.
A4
Wer ist hier der Minuspol?
AFB II
Die Halbzellen werden jeweils gegen die Standard-Wasserstoffelektrode geschaltet. Ordnen Sie ein, ob die Wasserstoffelektrode dabei Minus- oder Pluspol ist (Werte: \(\ce{Ag+}/\ce{Ag}\) +0,80 V, \(\ce{Fe^2+}/\ce{Fe}\) −0,44 V, \(\ce{Br2}/\ce{Br-}\) +1,07 V, \(\ce{Ni^2+}/\ce{Ni}\) −0,26 V, \(\ce{Fe^3+}/\ce{Fe^2+}\) +0,77 V, \(\ce{Al^3+}/\ce{Al}\) −1,66 V).
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).
1Wasserstoffelektrode ist Minuspol
2Wasserstoffelektrode ist Pluspol
Ist E° der Partner-Halbzelle positiv, ist diese der Pluspol — die Wasserstoffelektrode also der Minuspol, an ihr wird H₂ oxidiert. Auch Nichtmetall- und Ionenpaare (Br₂/Br⁻, Fe³⁺/Fe²⁺) haben Standardpotenziale; sie brauchen eine Platinelektrode als Elektronenleiter.
Positives E° der Partner-Halbzelle → Partner ist Pluspol.
Die Wasserstoffelektrode ist immer der jeweils andere Pol.
A5
Der Meeresspiegel der Elektrochemie
AFB II
Erläutern Sie den Vergleich zwischen Standardpotenzialen und Höhenangaben. 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.
Ein Voltmeter misst — wie ein Höhenmesser mit zwei Messpunkten — nur . Deshalb vereinbart man einen gemeinsamen Nullpunkt, so wie den bei Höhenangaben: die Standard-Wasserstoffelektrode. Halbzellen, die gegenüber diesem Nullpunkt Pluspol sind, erhalten ein Vorzeichen, Halbzellen, die Minuspol sind, ein .
Übrig bleiben „Absolutwerte“, „Gipfel“, „Platin“ und „Katalysator“. Wie „200 m unter dem Meeresspiegel“ sind negative Standardpotenziale vollkommen normal — sie bedeuten nur: unter dem vereinbarten Nullpunkt.
Was kann ein Voltmeter grundsätzlich nicht messen?
Pluspol ↔ positives Vorzeichen.
A6
Die Wasserstoffelektrode als Anode
AFB II
Die Wasserstoffelektrode wird gegen eine Silber-Halbzelle geschaltet; sie ist der Minuspol. Formulieren Sie die Teilgleichung, die an der Wasserstoffelektrode abläuft.
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.
Am Minuspol wird oxidiert: \(\ce{H2 + 2 H2O -> 2 H3O+ + 2 e-}\). In wässriger Lösung schreibt man \(\ce{H3O+}\) statt freier Protonen; die beiden Wassermoleküle nehmen die Protonen auf.
Minuspol = Anode = Oxidation.
Freie H⁺ gibt es in Wasser nicht.
A7
Die Säure für den Nullpunkt
MixAFB II
Für eine Wasserstoffelektrode sollen \(500\,\mathrm{mL}\) Salzsäure mit \(c(\ce{H3O+}) = 1{,}00\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) aus konzentrierter Salzsäure (\(c = 12{,}0\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) hergestellt werden. Berechnen Sie.
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.
pH-Wert der Säure in der Wasserstoffelektrode
benötigte Stoffmenge HClmol
Volumen konzentrierte SalzsäuremL
\(\mathrm{pH} = -\lg 1{,}00 = 0\) (Kapitel 3). \(n = 1{,}00\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\cdot 0{,}500\,\mathrm{L} = 0{,}500\,\mathrm{mol}\); \(V = 0{,}500\,\mathrm{mol}/12{,}0\,\mathrm{mol\,L^{-1}} = 0{,}0417\,\mathrm{L} = 41{,}7\,\mathrm{mL}\), auffüllen auf 500 mL (Säure ins Wasser!).
\(\mathrm{pH} = -\lg c(\ce{H3O+})\).
Verdünnen: \(c_1 V_1 = c_2 V_2\).
A8
Zeigt das Voltmeter das Standardpotenzial?
AFB III
Beurteilen Sie jede Messanordnung (Metall-Halbzellen, falls nicht anders angegeben, mit Salzlösung 1 mol/L, 25 °C).
Setzen Sie in jeder Zeile so viele Kreuze, wie zutreffen — es können mehrere, eines oder keines sein. Enter setzt und löscht.
Messanordnung
Anzeige = Betrag des Standardpotenzials der zuerst genannten Halbzelle
zuerst genannte Halbzelle ist Pluspol
Silber gegen Standard-Wasserstoffelektrode
Nickel gegen Standard-Wasserstoffelektrode
Silber (Silbernitrat 0,01 mol/L) gegen Standard-Wasserstoffelektrode
Kupfer gegen Nickel
Blei gegen Wasserstoffelektrode bei 1013 hPa, 25 °C, aber pH = 1
Nur wenn beide Halbzellen Standardbedingungen erfüllen und die zweite die Standard-Wasserstoffelektrode ist, zeigt das Voltmeter \(|E^\circ|\). Die Polung bleibt bei kleinen Abweichungen erhalten: Silber bleibt edler als der Wasserstoff, Blei bleibt unedler; Kupfer ist edler als Nickel.
Prüfen Sie für jede Zeile beide Halbzellen auf Standardbedingungen.
Pluspol ist immer die edlere Halbzelle.
A9
Messen über einen Umweg
AFB III
Eine Eisen-Halbzelle wird gegen eine Nickel-Halbzelle geschaltet (Standardbedingungen): Das Voltmeter zeigt 0,18 V, Eisen ist der Minuspol. \(E^\circ(\ce{Ni^2+}/\ce{Ni}) = -0{,}26\,\mathrm{V}\). Ermitteln Sie \(E^\circ(\ce{Fe^2+}/\ce{Fe})\).
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
V
Eisen liegt 0,18 V „unter“ Nickel: \(E^\circ(\ce{Fe^2+}/\ce{Fe}) = -0{,}26\,\mathrm{V} - 0{,}18\,\mathrm{V} = -0{,}44\,\mathrm{V}\). Potenziale verhalten sich wie Höhen — man kann über eine bekannte Halbzelle „umsteigen“.
Der Minuspol hat das negativere Potenzial.
Von −0,26 V aus 0,18 V weiter nach unten.
A10
Trickaufgabe: Iod an Platin
TrickAFB III
Eine Halbzelle aus Platin in einer Lösung von Iod und Kaliumiodid (Standardbedingungen) wird gegen die Standard-Wasserstoffelektrode gemessen. Das Voltmeter zeigt 0,54 V, und die Wasserstoffelektrode ist der Minuspol. Bestimmen Sie \(E^\circ(\ce{I2}/\ce{I-})\).
Schieben Sie den Regler auf Ihre Antwort — Pfeiltasten bewegen ihn schrittweise. Nach dem Prüfen sehen Sie den Trefferbereich.
-1 V1 V
Ist die Wasserstoffelektrode Minuspol, ist die Iod-Halbzelle Pluspol: \(E^\circ = +0{,}54\,\mathrm{V}\). Die Falle: Das Wort „Minuspol“ im Text gehört hier zur Bezugselektrode, nicht zur untersuchten Halbzelle.
Welche Halbzelle ist der Pluspol?
Das Vorzeichen bezieht sich immer auf die untersuchte Halbzelle.
