Aus einer Zitrone, einem Zinknagel und einer KupfermĂŒnze wird eine Batterie: Die Kinder bauen das Daniell-Element gedanklich auf, ordnen Oxidation der Anode und Reduktion der Kathode zu und verfolgen zwei getrennte Ströme â Elektronen im Draht, Ionen in der SalzbrĂŒcke. Die Elektrolyse ist dieselbe Reaktion rĂŒckwĂ€rts, mit Energie von auĂen (Wasser â Wasserstoff und Sauerstoff im VolumenverhĂ€ltnis 2 : 1). Dokumentierte Fehlvorstellung: Elektronen wandern durch die Lösung (Garnett & Treagust 1992). Verbindet Chemie mit dem Stromkreis der Physik und mit dem Akku im Handy; bereitet Redoxgleichgewichte und Brennstoffzellen der Oberstufe vor.
Welches GerÀt arbeitet gerade als galvanische Zelle?
â Handy-Akku, der am Ladekabel hĂ€ngt
â Batterie einer leuchtenden Taschenlampe
â Verkupferungsbad an einem NetzgerĂ€t
Eine galvanische Zelle wandelt chemische Energie in elektrische Energie um â eine Redoxreaktion lĂ€uft freiwillig ab und liefert Strom. Das tut die Batterie, die die Lampe leuchten lĂ€sst. Der Akku am Ladekabel und das Verkupferungsbad nehmen dagegen elektrische Energie auf und erzwingen eine Reaktion: Das ist Elektrolyse.
Die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet, heiĂt ___.
â Antwort: Anode
An der Anode findet die Oxidation statt (Elektronenabgabe). An der Kathode findet die Reduktion statt (Elektronenaufnahme). Merkhilfe: Anode = Abgabe, Kathode = Kommen (der Elektronen).
Bei der Elektrolyse wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt.
â Wahr
Richtig! Die Elektrolyse ist die Umkehrung der galvanischen Zelle. Durch Anlegen einer Ă€uĂeren Spannung wird eine nicht-freiwillige Redoxreaktion erzwungen. Elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt.
Eine wiederaufladbare galvanische Zelle heiĂt ___.
â Antwort: Akkumulator
Ein Akkumulator (Akku) ist eine wiederaufladbare Batterie. Beim Laden wird die Redoxreaktion durch Elektrolyse umgekehrt. Beispiele: Lithium-Ionen-Akku, Bleiakkumulator.
Aus welchen Bestandteilen besteht eine einfache galvanische Zelle (z. B. Daniell-Element)?
â Zwei verschiedene Metallelektroden in Salzlösungen, verbunden durch eine SalzbrĂŒcke und einen Ă€uĂeren Leiter.
â Nur eine Metallelektrode in einer SĂ€ure.
â Zwei gleiche Metallelektroden in Wasser.
â Ein Magnet und eine Kupferspule.
Das Daniell-Element besteht aus einer Zink-Halbzelle (Zn in ZnSOâ) und einer Kupfer-Halbzelle (Cu in CuSOâ). Die SalzbrĂŒcke ermöglicht den Ionentransport, der Ă€uĂere Leiter den Elektronenfluss.
Die Verbindung zwischen den beiden Halbzellen einer galvanischen Zelle, die den Ionentransport ermöglicht, heiĂt ___.
â Antwort: SalzbrĂŒcke
Die SalzbrĂŒcke (z. B. mit KNOâ-Lösung getrĂ€nkter Papierstreifen) verbindet die beiden Halbzellen. Sie ermöglicht den Ionenaustausch und verhindert so eine Ladungstrennung.
Welches Metall bildet die Anode im Daniell-Element?
â Zink (Zn), weil es unedler ist und Elektronen abgibt.
â Kupfer (Cu), weil es edler ist.
â Gold (Au)
â Silber (Ag)
Im Daniell-Element ist Zink das unedlere Metall (negativeres Standardpotential). Es bildet die Anode, gibt Elektronen ab und löst sich auf. Kupfer bildet die Kathode und scheidet sich ab.
Ordne die Schritte der Stromerzeugung in einer galvanischen Zelle: Elektronen flieĂen durch den Ă€uĂeren Leiter, Oxidation an der Anode, Reduktion an der Kathode, Ionentransport durch die SalzbrĂŒcke.
â Antwort: Oxidation an der Anode, Elektronen flieĂen durch den Ă€uĂeren Leiter, Reduktion an der Kathode, Ionentransport durch die SalzbrĂŒcke
Zuerst gibt das unedle Metall Elektronen ab (Oxidation). Diese flieĂen durch den Draht zur Kathode, wo sie aufgenommen werden (Reduktion). Die SalzbrĂŒcke gleicht die Ladung durch Ionenwanderung aus.
Bei der Elektrolyse von Wasser entstehen Wasserstoff und Sauerstoff im VolumenverhÀltnis 2:1. Wenn 100 mL Wasserstoff entstehen, wie viel mL Sauerstoff entstehen dann?
â Antwort: 50
2 HâO â 2 Hâ + Oâ. Das VolumenverhĂ€ltnis Hâ : Oâ = 2 : 1. Bei 100 mL Hâ entstehen 100/2 = 50 mL Oâ.
Welche technische Anwendung nutzt die Elektrolyse?
â Galvanisieren (Verchromen, Vergolden von GegenstĂ€nden)
â Stromerzeugung in einer Batterie
â Verbrennung von Benzin im Motor
â Destillation von Wasser
Beim Galvanisieren wird durch Elektrolyse eine dĂŒnne Metallschicht auf einen Gegenstand aufgebracht. Der zu beschichtende Gegenstand dient als Kathode, an der sich das Metall abscheidet.
In einer Batterie flieĂen die Elektronen im Ă€uĂeren Stromkreis von der Kathode zur Anode.
â Falsch
Falsch! Die Elektronen flieĂen im Ă€uĂeren Stromkreis von der Anode (Minuspol, Oxidation) zur Kathode (Pluspol, Reduktion). Der konventionelle Strom flieĂt in umgekehrter Richtung.
Die Spannung des Daniell-Elements betrĂ€gt etwa 1,1 V. Wie viele Daniell-Elemente mĂŒsste man in Reihe schalten, um eine Spannung von mindestens 4,4 V zu erreichen?
â Antwort: 4
Bei Reihenschaltung addieren sich die Spannungen. 4,4 V / 1,1 V = 4 Zellen. Man braucht 4 Daniell-Elemente in Reihe.
In einer galvanischen Zelle ist die Anode der ___pol (Minus/Plus).
â Antwort: Minus
In einer galvanischen Zelle ist die Anode der Minuspol (Elektronenquelle durch Oxidation). Die Kathode ist der Pluspol (Elektronensenke durch Reduktion). Achtung: Bei der Elektrolyse ist es umgekehrt!
Eine Natriumchlorid-Schmelze wird elektrolysiert. Was entsteht am Minuspol (Kathode)?
â Natrium
â Chlor
â Wasserstoff
In der Schmelze sind Naâș und Clâ» frei beweglich. Die positiven Naâș-Ionen wandern zum Minuspol und nehmen dort Elektronen auf: Naâș + eâ» â Na (Reduktion). Chlor entsteht am Pluspol aus Clâ». Wasserstoff kann gar nicht entstehen â in einer Schmelze ist kein Wasser vorhanden.
Ein Akkumulator (SekundĂ€rzelle) lĂ€sst sich wieder aufladen, weil seine Redoxreaktion durch Elektrolyse umkehrbar ist â so wie im Bleiakku des Autos, auch wenn man ihn umgangssprachlich âAutobatterieâ nennt. Alkali-Mangan- und Zink-Kohle-Zellen sind PrimĂ€rzellen: Sie werden einmal entladen und dĂŒrfen nicht aufgeladen werden.