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Zersetzungs- und Überspannung

Reststrom, Gegenspannung, Überspannung — 30 Übungen dazu, warum Elektrolysen mehr Spannung brauchen als berechnet.

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Übungsaufgaben

Dreißig Aufgaben, bunt gemischt — zum Klicken, Ziehen, Zuordnen, Rechnen und Knobeln. Jede Übung gibt Ihnen sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen Ihnen die gestuften Tipps. Die Chips zeigen das Anforderungsniveau: AFB I heißt wiedergeben und direkt anwenden, AFB II heißt selbst entscheiden und verknüpfen, AFB III heißt begründen, beurteilen oder eine Falle durchschauen. Mix verbindet Wissen aus mehreren Unterkapiteln, Trick warnt: Hier steckt eine Falle drin. Der Balken oben zeigt Ihnen, wie viele der 30 Aufgaben Sie schon gelöst haben.

A1
Stromstärke oberhalb von U_Z
AFB II

Stellen Sie einen Term für die Stromstärke \(I\) in mA oberhalb der Zersetzungsspannung auf. Der Elektrolyt hat den Widerstand \(R = 20\,\Omega\). Setzen Sie \(x = U\) und \(y = U_\text{Z}\) (beide in V).

Geben Sie den Term ein. Enter prüft ebenfalls.
Oberhalb von U_Z wirkt nur die Spannung U − U_Z auf den Widerstand: I = (U − U_Z) / R = (x − y) / 20 Ω, in mA: 1000 · (x − y) / 20 = 50 · (x − y). Für U = 3 V und U_Z = 2 V sind es 50 mA. Typischer Fehler: die volle Spannung U durch R zu teilen.
Welche Spannung treibt den Strom durch den Elektrolyten?
I = (U − U_Z) / R; Umrechnung in mA mal 1000.
A2
Stellschrauben der Wasserelektrolyse
AFB II

Ausgangspunkt ist die Elektrolyse verdünnter Schwefelsäure an platinierten Platinelektroden. Schätzen Sie ab, wie sich die Zersetzungsspannung bei jeder Änderung verhält (Tabelle in Aufgabe 18).

Wählen Sie für jede Zeile eine Stufe: 1 = sinkt deutlich, 2 = sinkt etwas, 3 = bleibt gleich, 4 = steigt etwas, 5 = steigt deutlich. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = sinkt deutlich5 = steigt deutlich
Die Säure wird zehnfach verdünnt.
Die Kathode wird durch Blei ersetzt.
Beide Elektroden werden durch glattes Platin ersetzt.
Die Lösung wird von 20 °C auf 60 °C erwärmt.
Bei gleicher Stromstärke werden doppelt so große Elektroden benutzt.
Trick in Zeile 1: Beide Potenziale sinken um 0,059 V je pH-Stufe, ΔE bleibt 1,23 V. Blei erhöht η(H₂) um 0,64 V; glattes Platin um insgesamt 0,27 V. Wärme und kleinere Stromdichte verringern die Hemmung.
Ansatz: Verdünnen ändert den pH-Wert an beiden Elektroden.
Weiter: Größere Fläche heißt kleinere Stromdichte.
A3
Trickaufgabe: Zink aus saurer Lösung
AFB III

Zink wird industriell aus schwefelsaurer Zinksulfat-Lösung (pH ≈ 1) elektrolytisch abgeschieden — obwohl E°(Zn²⁺/Zn) = −0,76 V viel negativer ist als E(H₃O⁺/H₂) ≈ −0,06 V. Beurteilen Sie die Aussagen (Tabelle in Aufgabe 18).

Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Die hohe Wasserstoff-Überspannung an Zink kehrt die Reihenfolge um. Stärker saure Lösung verschiebt E(H₂) nach oben; Fremdmetalle mit kleiner H₂-Überspannung bilden Stellen, an denen doch Wasserstoff entsteht.
Ansatz: Rechnen Sie −0,06 V − 0,77 V.
Weiter: Die Überspannung hängt vom Material der Kathodenoberfläche ab.