Aufgabe 3.1 – Metalle

Metalle zählen zu den ältesten und vielseitigsten Werkstoffen der Menschheit.

Formuliere für den Röstprozess sowie für die anschließende Umsetzung mit Schwefelsäure-Lösung jeweils die Reaktionsgleichung (Material 1).

Berechne die Masse an Zink, die bei der Elektrolyse pro Tag abgeschieden wird (Material 1).

8 BE

Begründe die unterschiedlichen Stabilitäten der Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen anhand ihrer Elektronenkonfigurationen.

Führe die Experimente A bis C durch und gib deine Beobachtungen an (Material 2).

11 BE

Formuliere die Reaktionsgleichung für die Reaktion in Experiment A (Material 2).

Ermittle unter Angabe der Oxidationszahlen Oxidations- und Reduktionsmittel.

5 BE

Formuliere die Teilgleichungen in Ionenschreibweise für die Reaktion von Permanganat-Ionen mit Eisen(II)-Ionen bei Experiment B (Material 2).

Begründe die Beobachtung bei Experiment B nach Zugabe von Thiocyanat-Ionen-haltiger Lösung (Material 2).

Formuliere die Reaktionsgleichung der Reaktion bei Experiment C (Material 2).

6 BE

Führe das Experiment D durch und gib deine Beobachtung an (Material 3).

Formuliere die Reaktionsgleichungen für die an der Kathode und Anode ablaufenden Reaktionen (Material 3).

Stelle eine Hypothese über den Ausgang des Experiments auf, wenn ein Eisennagel ohne Anlegen einer äußeren Spannung in eine Kupfer(II)-sulfat-Lösung gegeben wird.

7 BE

Beurteile den Einsatz von Opferanoden im Hinblick auf je einen ökonomischen und ökologischen Aspekt (Material 3).

3 BE

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Material 1: Gewinnung von Zink

Die Gewinnung von Zink aus dem Mineral Zinkblende ( $Formula: \ce{ZnS}$ $Formula: \ce{ZnS}$ ) ist ein mehrstufiger Prozess. Zunächst wird beim Rösten Zinkblende mit Luftsauerstoff zu Zink(II)-oxid und Schwefeldioxid umgesetzt. Zink(II)-oxid reagiert anschließend mit Schwefelsäure-Lösung zu einer Zink(II)-salz-Lösung. In einem dritten Schritt wird diese Lösung elektrolysiert.

Theoretisch scheidet sich Zink als unedles Metall aus einer wässrigen Lösung nicht an der Kathode ab. Es müsste sich nur Wasserstoff entwickeln. Allerdings ist die Überspannung des Wasserstoffs so hoch, dass die elektrolytische Gewinnung von Zink aus einer Zink(II)-salz-Lösung möglich ist. Großtechnisch wird bei einer Stromstärke von $Formula: I = 915\;\mathrm{A}$ $Formula: I = 915\;\mathrm{A}$ gearbeitet.

Faraday-Konstante: $Formula: F = 26{,}8\;\tfrac{\mathrm{Ah}}{\mathrm{mol}}$ $Formula: F = 26{,}8\;\tfrac{\mathrm{Ah}}{\mathrm{mol}}$

Material 2: Reaktionsverhalten von Eisen-Atomen und Eisen-Ionen

Eisen ist ein Schwermetall, dessen Ionen häufig in den Oxidationsstufen $Formula: +\mathrm{II}$ $Formula: +\mathrm{II}$ und $Formula: +\mathrm{III}$ $Formula: +\mathrm{III}$ auftreten. Das Reaktionsverhalten von Eisen-Atomen und Eisen-Ionen kann durch folgende Reaktionen veranschaulicht werden.

Experiment A:

Versetze in einer Petrischale einen Spatel Eisen-Pulver tropfenweise mit verdünnter Salzsäure.

Experiment B:

Gib in einem Reagenzglas zu ca. $Formula: 3\;\mathrm{mL}$ $Formula: 3\;\mathrm{mL}$ Eisen(II)-sulfat-Lösung ca. $Formula: 2\;\mathrm{mL}$ $Formula: 2\;\mathrm{mL}$ Schwefelsäure-Lösung. Versetze nun unter Schütteln die Lösung mit ca. $Formula: 3\;\mathrm{mL}$ $Formula: 3\;\mathrm{mL}$ Kaliumpermanganat-Lösung und anschließend mit drei Tropfen Thiocyanat-Ionen-haltiger Lösung.

Experiment C:

Gib in einem Reagenzglas zu ca. $Formula: 3\;\mathrm{mL}$ $Formula: 3\;\mathrm{mL}$ Eisen(III)-chlorid-Lösung drei Spatel Eisen-Pulver. Schüttle das Reaktionsgemisch, lass das Eisenpulver kurz absetzen und füge anschließend drei Tropfen Thiocyanat-Ionen-haltiger Lösung hinzu.

Material 3: Korrosion und Korrosionsschutz

Der Werkstoff Eisen hat den großen Nachteil, dass er sehr stark der Korrosion unterliegt. Um Eisen vor Korrosion zu schützen, kann es mit einer dünnen metallischen Schicht eines gegen Korrosion beständigeren Metalls, zum Beispiel Kupfer, überzogen werden. Um einen kompakten und möglichst langlebigen Überzug zu erzielen, erfolgt das Galvanisieren elektrochemisch, indem das zu schützende Eisen als Kathode in ein elektrolytisches Bad getaucht wird.

Experiment D:

Befülle die Elektrolysezelle mit Kupfer(II)-sulfat-Lösung. Nutze den Eisennagel als Kathode sowie das Kupferblech als Anode und elektrolysiere bei einer Spannung von $Formula: U = 2\;\mathrm{V}$ $Formula: U = 2\;\mathrm{V}$ über einen Zeitraum von ca. zwei Minuten.

Eine weitere Methode des Korrosionsschutzes ist die Verwendung von Opferanoden. Bei Untersuchungen über die Zusammensetzung von Opferanoden wurden über 20 chemische Elemente identifiziert. In nicht unerheblichen Mengen ist Zink enthalten. Zink zählt zu den für Lebewesen notwendigen Spurenelementen, kann in hohen Konzentrationen aber giftig sein. Auch einige der enthaltenen, toxikologisch bedenklichen Schwermetalle wie Cadmium oder Blei werden als Bestandteile der Anoden benötigt, damit diese überhaupt funktionieren.

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Formulieren der Reaktionsgleichungen

$Formula: \ce{2 ZnS + 3 O2 \longrightarrow 2 ZnO + 2 SO2}$ $Formula: \ce{2 ZnS + 3 O2 \longrightarrow 2 ZnO + 2 SO2}$

$Formula: \ce{ZnO + 2 H3O+ \longrightarrow Zn^{2+} + 3 H2O}$ $Formula: \ce{ZnO + 2 H3O+ \longrightarrow Zn^{2+} + 3 H2O}$

Berechnen der Masse

Die täglich abgeschiedene Zinkmasse ergibt sich aus der Stromstärke, der Elektrolysedauer und der molaren Masse von Zink. Mit $Formula: n=\tfrac{I\cdot t}{z\cdot F}$ $Formula: n=\tfrac{I\cdot t}{z\cdot F}$ und $Formula: n=\tfrac{m}{M}$ $Formula: n=\tfrac{m}{M}$ folgt:

$Formula: \begin{array}{rlll} m(\ce{Zn})&=&\dfrac{I\cdot t\cdot M(\ce{Zn})}{F\cdot z}\\[5pt] &=&\dfrac{915\;\mathrm{A}\cdot24\;\mathrm{h}\cdot65{,}38\;\tfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}}{26{,}8\;\tfrac{\mathrm{Ah}}{\mathrm{mol}}\cdot2}\\[5pt] &\approx&26{,}8\;\mathrm{kg} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} m(\ce{Zn})&=&\dfrac{I\cdot t\cdot M(\ce{Zn})}{F\cdot z}\\[5pt] &=&\dfrac{915\;\mathrm{A}\cdot24\;\mathrm{h}\cdot65{,}38\;\tfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}}{26{,}8\;\tfrac{\mathrm{Ah}}{\mathrm{mol}}\cdot2}\\[5pt] &\approx&26{,}8\;\mathrm{kg} \end{array}$

Somit werden pro Tag etwa $Formula: 26{,}8\;\mathrm{kg}$ $Formula: 26{,}8\;\mathrm{kg}$ Zink abgeschieden.

Begründen der Stabilitäten

Die Elektronenkonfigurationen lauten:

$Formula: \ce{_{26}Fe^{2+}}\text{:}\;[\ce{Ar}]\,4s^0\,3d^6$ $Formula: \ce{_{26}Fe^{2+}}\text{:}\;[\ce{Ar}]\,4s^0\,3d^6$
$Formula: \ce{_{26}Fe^{3+}}\text{:}\;[\ce{Ar}]\,4s^0\,3d^5$ $Formula: \ce{_{26}Fe^{3+}}\text{:}\;[\ce{Ar}]\,4s^0\,3d^5$

Eisen(III)-Ionen sind stabiler, da ihr Formula: 3d -Unterniveau halb besetzt ist.

Durchführen der Experimente

Angeben der Beobachtungen

Experiment	Beobachtungen
A	Gasentwicklung
B	Entfärbung der Lösung Blutrote Färbung nach Zugabe von Thiocyanat-Ionen-haltiger Lösung
C	Farbänderung Keine Veränderung nach Zugabe von Thiocyanat-Ionen-haltiger Lösung

Experiment

Beobachtungen

Gasentwicklung

Entfärbung der Lösung

Blutrote Färbung nach Zugabe von Thiocyanat-Ionen-haltiger Lösung

Farbänderung

Keine Veränderung nach Zugabe von Thiocyanat-Ionen-haltiger Lösung

Formulieren der Reaktionsgleichung unter Angabe der Oxidationszahlen

$Formula: \ce{\overset{0}{Fe} + 2 \overset{+I}{H}_3\overset{-II}{O} ^{+} \rightleftharpoons \overset{+II}{Fe} ^{2+} + \overset{0}{H}_2 + 2 \overset{+I}{H}_2\overset{-II}{O}}$ $Formula: \ce{\overset{0}{Fe} + 2 \overset{+I}{H}_3\overset{-II}{O} ^{+} \rightleftharpoons \overset{+II}{Fe} ^{2+} + \overset{0}{H}_2 + 2 \overset{+I}{H}_2\overset{-II}{O}}$

Ermitteln von Oxidations- und Reduktionsmittel

Eisen-Atome sind das Reduktionsmittel. Ihre Oxidationszahl steigt von auf $Formula: +\mathrm{II}.$ $Formula: +\mathrm{II}.$
Oxonium-Ionen sind das Oxidationsmittel. Die Oxidationszahl des zu Wasserstoff umgesetzten Wasserstoffs sinkt von $Formula: +\mathrm{I}$ $Formula: +\mathrm{I}$ auf

Formulieren der Teilgleichungen

$Formula: \begin{array}{lll} \ce{Fe^{2+} \longrightarrow Fe^{3+} + e-} &\quad&\text{Oxidation}\\[5pt] \ce{MnO4- + 8 H3O+ + 5 e- \longrightarrow Mn^{2+} + 12 H2O} &&\text{Reduktion} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{lll} \ce{Fe^{2+} \longrightarrow Fe^{3+} + e-} &\quad&\text{Oxidation}\\[5pt] \ce{MnO4- + 8 H3O+ + 5 e- \longrightarrow Mn^{2+} + 12 H2O} &&\text{Reduktion} \end{array}$

Begründen der Beobachtung

Eisen(III)-Ionen bilden mit Thiocyanat-Ionen blutrote Komplexverbindungen.

Formulieren der Reaktionsgleichung für Experiment C

$Formula: \ce{2 Fe^{3+} + Fe \rightleftharpoons 3 Fe^{2+}}$ $Formula: \ce{2 Fe^{3+} + Fe \rightleftharpoons 3 Fe^{2+}}$

Durchführen des Experiments

Angeben der Beobachtung

Experiment	Beobachtung
D	Rotbrauner Belag am Eisennagel

Formulieren der Teilgleichungen

$Formula: \begin{array}{lll} \ce{Cu^{2+} + 2 e- \longrightarrow Cu} &\quad&\text{Kathodenreaktion}\\[5pt] \ce{Cu \longrightarrow Cu^{2+} + 2 e-} &&\text{Anodenreaktion} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{lll} \ce{Cu^{2+} + 2 e- \longrightarrow Cu} &\quad&\text{Kathodenreaktion}\\[5pt] \ce{Cu \longrightarrow Cu^{2+} + 2 e-} &&\text{Anodenreaktion} \end{array}$

Aufstellen einer Hypothese

Auch ohne Anlegen einer äußeren Spannung überzieht sich der Eisennagel mit Kupfer.

Die Redoxreaktion läuft freiwillig ab, wenn die Teilchen mit dem kleineren Elektrodenpotenzial in reduzierter Form und die Teilchen mit dem größeren Potential in oxidierter Form vorliegen. Es gilt:

$Formula: E(\ce{Fe} \mid \ce{Fe^{2+}})\lt E(\ce{Cu} \mid \ce{Cu^{2+}})$ $Formula: E(\ce{Fe} \mid \ce{Fe^{2+}})\lt E(\ce{Cu} \mid \ce{Cu^{2+}})$

Beurteilen des Einsatzes von Opferanoden

Ökologischer Aspekt: Opferanoden enthalten ökologisch bedenkliche Inhaltsstoffe.
Ökonomischer Aspekt: Sie bieten einen wirksamen Korrosionsschutz und verringern die Kosten zur Erneuerung zu schützender Bauteile.

Sachurteil: Der Einsatz von Opferanoden ist wirtschaftlich vorteilhaft, aufgrund der ökologisch bedenklichen Inhaltsstoffe jedoch kritisch abzuwägen.

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Lerninhalte in Chemie

Aufgabe 3.1 – Metalle

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Material 1: Gewinnung von Zink

Material 2: Reaktionsverhalten von Eisen-Atomen und Eisen-Ionen

Material 3: Korrosion und Korrosionsschutz

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