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Musterlösung

Elektrochemie 1

Aufgabe 1

Ergänze bitte folgenden Lückentext mit den richtigen Begriffen aus der am Ende gegebenen Liste. Die Begriffe können auch gar nicht oder mehrfach verwendet werden.

Die __________________ umfasst Methoden, bei denen __________________ Veränderungen mithilfe von __________________ stattfinden. Zwei Beispiele sind __________________ und __________________. In beiden Fällen finden __________________ statt und es gibt zwei Elektroden, deren positiv geladene die __________________ ist und die negative die __________________. __________________ dienen der Erzeugung von __________________. Die __________________ dient der Herstellung verschiedener Reinstoffe durch die __________________ von Verbindungen.

Auswahlmöglichkeiten: galvanische Zellen / elektrischen Ladungen / Kathode / elektrischem Widerstand / Verdampfung / physikalische(n) / Elektrizität / Erzeugung / Elektrolyse / Licht / Wärme / Elektrochemie / chemische(n) / Anode / Neutralisation / molekulare(n) / Palode / elektrischer Spannung / Aufspaltung / Entsorgung / Redoxreaktionen / Neutralisationsreaktionen

Lösung

Die Elektrochemie umfasst Methoden, bei denen chemische Veränderungen mithilfe von elektrischer Spannung stattfinden. Zwei Beispiele sind Elektrolyse und galvanische Zellen. In beiden Fällen finden Redoxreaktionen statt und es gibt zwei Elektroden, deren positiv geladene die Anode ist und die negative die Kathode. Galvanische Zellen dienen der Erzeugung von Elektrizität. Die Elektrolyse dient der Herstellung verschiedener Reinstoffe durch die Aufspaltung von Verbindungen.

  • Schwierigkeitsgrad:  1
  • Zeit:  8 Minuten
  • Punkte:  6

Aufgabe 2

Galvanische Zellen unterscheidet man häufig in drei Typen.

  1. Nenne alle drei Arten von galvanischen Zellen.
  2. Beschreibe, was diese drei Arten prinzipiell unterscheidet.
  3. Welche Eigenschaft haben alle galvanischen Zellen gemeinsam?

Lösung

  1. Primärzellen (oder Batterien), Sekundärzellen (oder Akkumulatoren) und Tertiärzellen (oder Brennstoffzellen).
  2. Die Primärzelle kann nur einmal entladen werden und diese Entladung ist dann unumkehrbar, sodass die Primärzelle nicht mehr aufgeladen werden kann. Bei der Sekundärzelle ist das nicht der Fall, die Auf- und Entladungen können deshalb umkehrbar ablaufen. Brennstoffzellen können sich kontinuierlich auf- und entladen, weil der chemische Energieträger nicht in der galvanischen Zelle gespeichert ist, sondern von außen zugeführt wird.
  3. Alle galvanischen Zellen funktionieren nach demselben Prinzip: Es laufen Redoxreaktionen ab, wobei Oxidation und Reduktion jeweils in einer Halbzelle ablaufen, sodass sie räumlich voneinander getrennt sind. Die Halbzellen werden mithilfe eines Elektronen- und eines Ionenleiters miteinander verbunden, sodass der Stromkreis geschlossen ist. 
  • Schwierigkeitsgrad:  2
  • Zeit:  7 Minuten
  • Punkte:  11

Aufgabe 3

Vervollständige das folgende Bild eines Daniell-Elements, indem du folgende Dinge einzeichnest und beschriftest:

Elektrochemie 1 - Abbildung 1
  1. Die Elektrode aus Kupfer und die Elektrode aus Zink.
  2. Die Kupfer- und die Zinkionenlösung.
  3. Die Salzbrücke und die darin enthaltenen Ionen.
  4. Die Wanderungsrichtung der Elektronen.
  5. Die Reaktionsgleichungen für die ablaufende Oxidation und Reduktion, jeweils an der zugehörigen Elektrode.

Lösung

Elektrochemie 1 - Abbildung 2
 

 

  • Schwierigkeitsgrad:  2
  • Zeit:  10 Minuten
  • Punkte:  10

Aufgabe 4

Beantworte folgende Fragen zur Wasserelektrolyse:

  1. Welche Produkte entstehen bei der Elektrolyse von Wasser?
  2. Welche Reaktion läuft an der Anode ab (Reaktionsgleichung!)?
  3. Welche Reaktion läuft an der Kathode ab (Reaktionsgleichung!)?
  4. Warum wird das Wasser mit etwas KOH versetzt?
  5. Warum ist es notwendig, die Elektrolyse mit Gleichspannung zu betreiben anstatt mit Wechselspannung?

Lösung

  1. Wasserstoff und Sauerstoff 
  2. \(4\,\text{OH}^- \rightarrow \text O_2+2\,\text H_2\text O+4\,\text e^-\)
  3. \(4\,\text H_2 \text O+4\,\text e^- \rightarrow 2\,\text H_2+4\,\text {OH}^-\)
  4. Kaliumhydroxid ist ein Elektrolyt, also ein Stoff, der die Leitfähigkeit des Wassers erhöht. Dadurch wird eine effizientere Reaktion ermöglicht.
  5. Würde man Wechselspannung verwenden, dann würden die Pole so schnell ihre Richtung wechseln, dass die Ionen gar nicht mehr wandern könnten. Die Kationen könnten somit nicht mehr zur Kathode wandern und die Anionen nicht mehr zur Anode. Somit könnten sich die Ionen nicht an ihrem entsprechenden Pol sammeln und die Elektrolyse des Wassers könnte nicht ablaufen. 
  • Schwierigkeitsgrad:  3
  • Zeit:  10 Minuten
  • Punkte:  10
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