In einem Erklärvideo (20:43 min, mau) werden die Regeln R1–R4 zur Bestimmung der Oxidationszahlen von Atomen erläutert und auf die Beispiele im Skript auf den Seite 3–4 angewendet.

Vorgehen und Merkpunkte zur Bestimmung der Anzahl transferierten Elektronen für eine Reaktion am Beispiel der Aufgaben 1–3 auf der Seite 5:

Merkpunkte Oxidationszahlen (MAU)

Visualisierung der Vorgänge zum Beispiel im Skript S. 6 (ein Tropfen Kupfersulfatlösung auf ein Eisenblech) bzw. zum Versuch 1, S. 9 (Stahlwatte in einer Kupfersulfatlösung):

Animation (CHEMIE INTERAKTIV)

Was passiert, wenn man ein Zinkmetallblech in eine Kupfersalzlösung stellt? Das folgende Video zeigt die Vorgänge zuerst auf makroskopischer Ebene und gibt dann die Erklärung auf Teilchenebene wieder.

Der folgende Inhalt basiert auf einer Shockwave-Animation (© ChiLe), welche nur noch mit dem nicht mehr unterstützten Shockwave-Player funktioniert.

In folgendem Video (7:18 min, musstewissen Chemie) wird erklärt, was man unter der Redoxreihe (Fällungsreihe) versteht:

Formulierung der Gesamtreaktion

Bei der Aufgabe 2 zum Versuch 3 (Skript S. 8) ging es zuerst darum, die Gesamtreaktion für die Silberreinigung zu formulieren. Im diesem Video (5:18 min, mau) wird erklärt, woher der schwarze Belag auf dem Silber überhaupt kommt und wie die Gesamtreaktion bei der Silberreinigung lautet.

Visualisierung der Vorgänge auf Teilchenebene und Teilreaktionen

Der Vorgang der Silberreinigung läuft spontan ab, wenn man das Silberbesteck über einen Elektrolyten mit einer Alufolie verbindet. Der Elektrolyt – eine Lösung von Kochsalz (Natriumchlorid: NaCl) oder Soda (Natriumcarbonat: Na₂CO₃) – nimmt an der Reaktion selbst nicht teil. Wenn man das Silberbesteck mit dem Minuspol einer Batterie verbindet, läuft die Regeneration des elementaren Silbers aus dem Silbersulfid (schwarzer Belag) wesentlich schneller ab. Das folgende Video zeigt die Vorgänge auf Teilchenebene und gibt die Teilreaktionen wieder.

Der folgende Inhalt basiert auf einer Shockwave-Animation (© ChiLe), welche nur noch mit dem nicht mehr unterstützten Shockwave-Player funktioniert.

1. Der im Unterricht gezeigte Versuch "Die Hölle der Bären" kann in folgendem Video (1:56 min, YouTube) nochmals angeschaut werden:

2. Lies nun die Versuchsbeschreibung im Skript (Seite 8, Versuch 2).

3. Formuliere den Elektronentransfer für die im Video dargestellte Reaktionsgleichung (C₁₂H₂₂O₁₁ ist nichts anderes als Haushaltszucker = Saccharose):

   C₁₂H₂₂O₁₁ (s) + 8 KClO₃ (s) → 12 CO₂ (g) + 11 H₂O (g) + 8 KCl (s)

• Notiere die Oxidationszahlen und formuliere den Elektronentransfer in Pfeilschreibweise (vgl. R2, Seite 4). Ordne wiederum die Begriffe Oxidation und Reduktion zu.

  Hinweis: Die Aufgabe ist eher anspruchsvoll, da ziemlich viele Stoffe vorliegen. Trotzdem wird nur eine Atomsorte oxidiert und nur eine reduziert. Wende einfach stur die Regeln an. Die Kenntnis der Lewisformeln der beteiligten Teilchen ist nicht nötig.

• Warum kann man hier keine Teilreaktionen formulieren?

4. Eine Musterlösung findet sich hier.

Bau und Funktion einer galvanischen Zelle am Beispiel des Daniell-Elements

Ein Zinkblech (Zn) wird in eine Zinksalzlösung (ZnSO₄) gestellt (1. Halbzelle, links). Ebenso wird ein Kupferblech (Cu) in eine Kupfersalzlösung (CuSO₄) getaucht (2. Halbzelle, rechts). Die zwei Lösungen sind durch eine poröse Tonwand (oder ein Backpapier) voneinander getrennt. Die zwei Bleche werden über einen elektrischen Leiter zu einer galvanischen Zelle verbunden.

Erklärung

Das unedlere Zink hat ein höheres Bestreben Elektronen abzugeben (hoher Elektronendruck) als das edlere Kupfer (geringer Elektronendruck). Dieses unterschiedliche Bestreben kann man als Spannung (Elektronendruckunterschied) zwischen den Metallen messen. Zink gibt als unedleres Metall Elektronen ab (Elektronenüberschuss → Minuspol), wobei Zink-Ionen in Lösung gehen. Die Elektronen können jedoch infolge der räumlichen Trennung nicht direkt zu den Kupfer-Ionen der Kupfersalzlösung gelangen, sondern müssen durch den Verbindungsdraht vom unedleren Metall (Zink) zum edleren Metall (Kupfer) fliessen. Die Cu²⁺-Ionen aus der Kupfersulfatlösung nehmen dort die Elektronen auf, wobei sich elementares Kupfer auf dem Kupferblech bildet.

Die Teilreaktionen (Halbzellreaktionen) lauten:

Die Elektronen werden aufgrund des unterschiedlichen 'Elektronendrucks' transportiert. Es fliesst elektrischer Strom durch den Draht. Der Stromkreis wird durch den Fluss von Anionen (hier Sulfat: SO₄^2–) durch den Separator (Backpapier) hindurch von der CuSO₄-Lösung in die ZnSO₄-Lösung geschlossen. Die negativ geladenen Sulfat-Ionen wandern zwecks Ladungsausgleich zur Zink-Halbzelle, da in der Kupfer-Halbzelle die positive Ladung stetig abnimmt (positiv geladene Cu²⁺-Ionen werden zu neutralen Atomen) und in der Zinkhalbzelle die positive Ladung zunimmt (neutrale Zn-Atome werden zu positiv geladenen Zn²⁺-Ionen).

Umgekehrt lässt sich nicht vermeiden, dass ein Teil der positiv geladenen Zink-Ionen – zwecks Ladungsausgleichs – auf die Seite der Kupferhalbzelle (wo die Konzentration der positiv geladenen Kupferionen stetig sinkt) diffundiert, was in dieser Animation (CHEMIE INTERAKTIV) schön zu sehen ist.

Visualisierung der Vorgänge auf Teilchenebene beim Versuch im Skript S. 9 (Daniell-Element); diese Animation zeigt zusätzlich, dass zwecks Ladungsausgleichs – nicht nur die SO₄^2–-Teilchen, sondern auch die Zn²⁺-Ionen auf die jeweils andere Seite (Halbzelle) wandern.

1. Klicke auf den Button "Beschriftung anzeigen".
2. Drücke auf den Schalter.

Benutzeroberfläche der Animation zum Daniell-Element (CHEMIE INTERAKTIV)

Interaktive Animation (CHEMIE INTERAKTIV)

Spannung und Strom in einer Batterie

Der folgende Inhalt basiert auf einer Flash-Animation (© dwu), welche nur noch mit dem nicht mehr unterstützten Flash-Player funktioniert.

Achte im folgenden Video auf die Anzahl der blauen Teilchen (Elektronen), die sich vom Minus- zum Pluspol bewegen, und auf die Spannungsanzeige in Volt (V).

Wenn im Stromkreis ein elektrischer Strom fließt, wandern Elektronen vom Minuspol zum Pluspol.

Der Minuspol hat Elektronenüberschuss und der Pluspol Elektronenmangel. Dadurch ergibt sich in der Batterie solange eine elektrische Spannung, bis durch die Wanderbewegung der freien Elektronen (= elektrischer Strom) an beiden Polen derselbe Ladungszustand herrscht. Die Glühlampe wandelt dabei als Gerät elektrische Energie in Licht um. Beim einfachen Stromleitungsmodell betrachtet man nur die Driftbewegung der freien Elektronen in der Leitung (Metallgitter) zwischen den Atomen hindurch, die mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 mm/s stattfindet.

In folgendem Video (3:26 min, YouTube) wird der Aufbau und die Funktionsweise des Bleiakkus (Autobatterie) erklärt:

In diesem Video (2:15 min, SimpleClub) wird der Aufbau und die Funktionsweise der H₂-Brennstoffzelle erklärt, wobei auch die Teilreaktionen ersichtlich sind. Die Bewegung der Teilchen sieht man besser in dieser Animation (PLANET WISSEN) – durch Klicken auf die Info-Buttons (i) kriegt man Informationen zu den Komponenten der Brennstoffzelle.

Tipps zum Einsatz von Batterien und Akkus von Rolf Zinniker (pensionierter Batteriepapst der ETH), zusammengefasst von MAU:

Tipps zum Einsatz von Batterien und Akkus (MAU)

Visualisierung der Vorgänge auf Teilchenebene bei der Elektrolyse von Kupferchlorid (Versuch, Skript S. 18):

Interaktive Animation (ChiLe)

Elektrolyse von Zinkiodid (ZnI₂) und Abhängigkeit von der Temperatur

1. Wähle "2. Lösungen".
2. Wähle dann "Modelldarstellung I".
3. Formuliere die Teilreaktionen am Minus- und Pluspol.
4. Ordne den Teilreaktionen die Begriffe Oxidation und Reduktion zu.
5. Welche Elektrode ist bei der Elektrolyse jeweils der Minuspol?
6. Warum wandern die Zink-Ionen an den Minuspol?

Benutzeroberfläche der Animation zur Elektrolyse von Zinkiodid (CHEMIE INTERAKTIV)

Interaktive Animation (CHEMIE-INTERAKTIV)

Galvanisieren am Beispiel des Verkupferns eines Schlüssels

Ein Schlüssel (oder eine Münze) aus Eisen soll verkupfert werden. Zu diesem Zweck taucht der Schlüssel in eine Kupfersalzlösung (CuSO₄) ein. Der Trick besteht nun darin, die positiv geladenen Cu²⁺-Ionen zu zwingen an die Schlüsseloberfläche zu wandern und dort Elektronen aufzunehmen, um Kupferatome und damit einen Kupferbelag zu bilden. Dies kann realisiert werden, indem man den Schlüssel als Minuspol schaltet, d. h. von einer externen Stromquelle (Netzgerät) Elektronen auf den Schlüssel fliessen lässt:

Erklärung

Durch das Schalten des Schlüssels als Minuspol (Anhäufung negativer Ladung) wird der Schlüssel negativ geladen, wodurch die in der CuSO₄-Lösung sich befindenden, positiv geladenen Cu²⁺-Ionen – aufgrund ihrer gegensätzlichen Ladung – zum Schlüssel wandern und dort die Elektronen aus der externen Stromquelle aufnehmen (vgl. Animation oben). Durch diese Reduktion bilden sich am Schlüssel Kupferatome, welche die gewünschte Kupferschicht bilden:

Damit der Stromkreis geschlossen wird, werden am anderen Pol Kupferatome des Kupferstabs zu Kupfer(II)-Ionen oxidiert, wodurch Elektronen vom Kupferstab zurück zum Netzgerät fliessen:

Da gemäss Reaktion am Pluspol elementares Kupfer in Form von Kupfer(II)-Ionen in Lösung geht, erscheint der Kupferstab nach der Reaktion "frisch" kupferig glänzend. Der Stromkreis sieht also wie folgt aus: Elektronen fliessen vom Netzgerät über ein Leiterkabel zum Schlüssel, vom Pluspol (Kupferstab) bewegen sich einerseits Cu²⁺-Ionen durch die Lösung Richtung Minuspol (Schlüssel), andererseits fliessen Elektronen über ein Leiterkabel vom Pluspol zurück zum Netzgerät. Damit ist der Stromkreis geschlossen.

Fragen

1. Wie lange kann man mit einer Kupfersulfatlösung den Schlüssel verkupfern?
2. Könnte man anstelle von Kupfermetall auch ein anderes Metall (z. B. Eisen) als Elektrodenmaterial am Pluspol verwenden?
3. Weshalb ist es sinnvoll für das Verkupfern eine Kupferelektrode als Pluspol zu verwenden?
4. Was passiert, wenn man die Münze als Pluspol statt als Minuspol schaltet?

Galvanisieren am Beispiel des Versilberns einer Münze: Visualisierung der Vorgänge auf Teilchenebene inkl. Teilreaktionen:

Interaktive Animation (ChiLe)