Elektrochemie HS Zusatzübung. Übung Assistent: Olga Nibel. Tel.:

Transkript

1 Elektrochemie HS 2016 Übung Assistent: Olga Nibel Tel.: Adresse: 5232 Villigen PSI, OVGA 101A Zusatzübung Kenngrössen Dichte (Fe): 7.87 g cm -3 Molare Masse (Fe): g mol -1 Molare Masse (Na): g mol -1 Molare Masse (Cl): g mol -1 Löslichkeit (NaCl bei 20 C): 359 g L -1 Faraday Konstante: As mol -1 Allgemeine Gaskonstante: J K -1 mol -1 Molare Leitfähigkeit (OH - ): S cm 2 mol -1 Molare Leitfähigkeit (Cl - ): 76.8 S cm 2 mol -1

2 Anmerkungen: Bitte End- und Teilergebnis einer Aufgabe deutlich kennzeichnen (Unterstreichen o.ä) Die Übungen können per (z.b. eingescanntes pdf-file) oder per Post an mich bis spätestens zugesandt werden. Bitte das Aufgabenblatt mit Namen und adresse oder Postanschrift versehen, damit die korrigierten Aufgabenblätter zurück gesendet werden können. Bei Gruppenarbeit bitte die Namen der weiteren Teilnehmer angeben. Aufgabe 1: Definieren Sie folgende Begriffe: (3 Punkte) a) Migration b) Diffusion c) Konvektion d) Durchtrittsüberspannung e) Konzentrationsüberspannung Aufgabe 2: Die elektrolytische Herstellung von Natriumhydroxid (Ätznatron) über das Membranverfahren ist ein wichtiger technischer Prozess. NaCl (Kochsalz) wird in Wasser aufgelöst und elektrochemisch zu Natriumhydroxid und Chlor gespalten. Damit dieser Prozess möglichst effizient ist, sollte die Leitfähigkeit der Salzlösung hoch sein. a) Wieviel Kilogramm NaCl muss man in 1000 L Wasser auflösen um eine molare Konzentration von 5 mol/l zu erhalten? Ist dies die Sättigungskonzentration von NaCl bei 20 C? Begründen Sie Ihre Antwort! (2 Punkte) b) Um zu überprüfen wie hoch die Leitfähigkeit der Salzlösung ist, werden zwei poröse Nickelelektroden mit einer aktiven Elektrodenfläche von je 5.8 cm 2 in die Lösung (5 mol/l) eingetaucht. Die Elektroden sind zwei Plättchen mit einer rechteckigen Grundfläche von je 1.8 cm -2 und einem Abstand (l) von 2 mm voneinander. Bei einer angelegten Spannung von 0.5 V stellt sich ein Strom von 75 ma ein. Berechnen Sie die Leitfähigkeit (S cm -1 ) und die molare Leitfähigkeit (S cm 2 mol -1 ) der Salzlösung? (3 Punkte) c) Während der Elektrolyse ensteht Natronlauge und Chlor. Wie ändert sich qualitativ die Leitfähigkeit der Lösung im Betrieb der Elektrolyse (Annahme: diskontinuierliche adiabatische Betriebsweise der Elektrolyse)? Begründen Sie Ihre Antwort! (2 Punkte)

3 Aufgabe 3: Gegeben sei ein Daniell-Element. Dabei handelt es sich um ein galvanisches Element, bei welchem die Redoxpaare Zn / Zn 2+ und Cu / Cu 2+ gekoppelt sind. Da Zn leichter Elektronen abgibt als Cu, fließen die Elektronen von Zn zu Cu. Folglich wird Zn oxidiert: Zn Zn e - E 0 = V Cu reduziert: Cu e - Cu E 0 = V a) Berechnen sie das Potential der Halbzellen für den Gleichgewichtsfall, wenn J a Cu a Zn 1, a Zn 2 a Cu M, T 298K, R K mol, F C mol ist. Welche Gesamtspannung liegt im stromlosen Zustand an? (1 Punkt) b) Welche Gesamtspannung liegt im stromlosen Zustand an, wenn 90% des Cu 2+ durch Anschluss eines elektrischen Verbrauchers umgesetzt wurden (die festen Metalle liegen im Überschuss vor)? (2 Punkte) c) Wie viel Cu 2+ kann man umsetzen, bevor die Gesamtspannung im stromlosen Zustand unter 1,05 V sinkt (die festen Metalle liegen im Überschuss vor)? (3 Punkte) Aufgabe 4: Die Korrosion von Eisen ist einer der wichtigsten Korrosionsprozesse. a) Ein Brückenpfeiler aus Eisen korrodiert am unteren Ende, welches von sauerstoffreichem Wasser (p O2 5E -6 atm) umspült wird. Pro Jahr korrodieren so 1.5 mm Eisen zu Eisen(II)-hydroxid. Berechnen Sie die Stromdichte am unteren Ende des Brückenpfeilers, welcher in Kontakt mit dem sauerstoffreichen Wasser ist. (Tipp: Aufstellen der entsprechenden Redoxgleichung) (3 Punkte) Durch geeignete Verfahren und Methoden kann man diese Korrosionsprozesse vermeiden bzw. verlangsamen. b) Heizkessel und Heizkörper bestehen üblicherweise aus Eisen. Auf teure korrosionsbeständige Stahlsorten wird verzichtet. Warum rostet Eisen in den Heizanlagen nicht bzw. nur sehr langsam? (1 Punkt) c) Oft verwendet man Überzugsmetalle um Eisenwerkstoffe zu schützen. Zink und Zinn werden häufig verwendet. Worauf beruht die Schutzwirkung des Zink und Zinnüberzugs. Warum verwendet man für die Beschichtung von Konservendosen Zinn und nicht das billigere Zink? Sowohl Zink als auch Zinn sind in niedriger Konzentration unbedenklich für den menschlichen Körper. (2 Punkte)

4 d) Die Korrosion an Schiffskörpern wird häufig vermieden indem man Opferanoden einsetzt wie zum Beispiel Magnesium. Bitte stellen Sie die entsprechenden Reaktionsgleichungen auf und erklären Sie unter Zuhilfenahme der elektrochemischen Potentiale warum Eisen nicht rostet wenn es elektrisch mit der Opferanode verbunden ist. (1 Punkt)

5

6