CH LK HT 1 Seite 1 von 4 Name: _______________________ Abiturprüfung 2010 Chemie, Leistungskurs Aufgabenstellung: Das Meidinger-Element – eine historische Energiequelle 1. Erläutern Sie den Aufbau und die Funktionsweise des Meidinger-Elements. Ermitteln Sie die Veränderungen im Element bei Stromfluss. (20 Punkte) 2. Begründen Sie die Maßnahmen zur Wartung des Meidinger-Elements. Deuten Sie die Beobachtungen und Maßnahmen nach Erschütterung eines befüllten Meidinger-Elements. Berechnen Sie die Zellspannung des Meidinger-Elements unter der Annahme einer Standard-Zinkhalbzelle am Minuspol. (16 Punkte) 3. Beschreiben und deuten Sie den unterschiedlichen Spannungsverlauf bei der Entladung des Daniell-Elements und des Meidinger-Elements. (14 Punkte) 4. Beurteilen Sie die beiden Verbesserungsvorschläge im Hinblick auf die Leistungs- verbesserung und Zuverlässigkeit des Elements. (16 Punkte) Zugelassene Hilfsmittel:  Wissenschaftlicher Taschenrechner  Periodensystem  Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Nur für den Dienstgebrauch!

CH LK HT 1 Seite 2 von 4 Name: _______________________ Fachspezifische Vorgaben: Zur elektrischen Signalübermittlung in der Telegrafie wurden zum Ende des 19. Jahrhunderts bis Anfang des 20. Jahrhunderts häufig Meidinger-Elemente verwendet (Abbildung 1). Das Meidinger-Element ist eine Weiterentwicklung des Daniell-Elements, das aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht. Bei gleichen räumlichen Abmessungen der Energiequelle kann das Meidinger-Element längere Zeit Strom liefern. Beide Elemente unterscheiden sich auch in der Zellspannung bei fortschreitender Entladung (Abbildung 2). Vorratsbehälter mit Kupfersulfat-Pentahydrat- Kristallen Zur Inbetriebnahme eines Meidinger-Elements wird zunächst das Kupferblech eingesetzt und gesättigte Kupfersulfat-Lösung 3 (ρ = 1,21 g/cm ) eingefüllt. Anschließend wird das Zinkblech eingesetzt und Magnesiumsulfat-Lösung 3 (w = 10 %; ρ = 1,10 g/cm ) eingefüllt. Dabei wird dar- auf geachtet, dass sich die beiden Lösungen nicht vermischen. Zuletzt wird der Vorratsbehälter mit Kupfersulfat-Pentahydrat aufgesetzt. Glasbehälter Elektrische Zuleitung (isoliert) Zinkblech (zylindrisch) Magnesiumsulfat-Lösung (w = 10 %, 3 ρ = 1,10 g/cm ) Kupferblech (zylindrisch) Kupfersulfat-Lösung 3 (gesättigt, ρ = 1,21 g/cm ) Abbildung 1: Längsschnitt durch ein Meidinger-Element (vereinfacht) Um den einwandfreien Zustand des Meidinger-Elements zu erhalten, sah die Wartungs- anweisung einige Maßnahmen vor:  Bei normalem Betrieb muss im Rahmen der Wartung alle zwei Monate ein Teil der oberen Flüssigkeit abgesaugt und vorsichtig durch destilliertes Wasser ersetzt werden.  Sollte das Zinkblech zu dünn geworden sein oder Lochfraß zeigen, ist es zu erneuern. Man ersetzt dann auch das Kupferblech und füllt neues Kupfersulfat auf. Meidinger-Elemente dürfen in befülltem Zustand nicht bewegt werden, da sonst rötliche Verfärbungen am Zinkblech auftreten. Dann müssen sowohl das Zinkblech als auch die Flüssigkeit im oberen Behälterteil ersetzt werden. Zur Verbesserung des Meidinger-Elements gab es verschiedene Vorschläge: a) Es wurde vorgeschlagen, die Kupfersulfat-Lösung durch Silbernitrat-Lösung, das Kupfer- sulfat-Pentahydrat durch Silbernitrat und das Kupferblech durch ein Silberblech zu er- setzen, um die Spannung zu erhöhen. b) Es wurde vorgeschlagen, die eingesetzte Magnesiumsulfat-Lösung von w = 10 % durch Magnesiumsulfat-Lösung, w = 20 %, zu ersetzen, um die Leitfähigkeit des Elektrolyten zu erhöhen. Nur für den Dienstgebrauch!

CH LK HT 1 Seite 3 von 4 Name: _______________________ Zellspannung in Abhängigkeit von der Entladung 1,18 1,16 Zellspannung in Volt 1,14 1,12 U(Daniell) 1,10 U(Meidinger) 1,08 1,06 1,04 1,02 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% relative Entladung Abbildung 2: Vergleich der Zellspannungen beim Entladen eines Meidinger- und eines Daniell-Elements Nur für den Dienstgebrauch!

CH LK HT 1 Seite 4 von 4 Name: _______________________ Zusatzinformationen: Silbernitrat ist lichtempfindlich. Kupfersulfat und Silbernitrat sind umweltgefährdend. Konzentrationen, Dichten und Leitfähigkeiten Lösung 3 Konzentration c in mol/L Dichte ρ in g/cm bei 20 °C Leitfähigkeit in mS/cm 1,36 1,21 47,0 1,22 51,1 1,10 42,7 Silbernitrat-Lösung (w = 40 %) 1,47 162,0 Zinksulfat-Lösung (w = 10 %) 1,11 33,7 1,02 10,0 1,00 <0,01 Kupfersulfat-Lösung (gesättigt) Magnesiumsulfat-Lösung (w = 20 %) Magnesiumsulfat-Lösung (w = 10 %) 0,92 Zinksulfat-Lösung (w = 2 %) 0,13 dest. Wasser Elektrochemische Spannungsreihe Standardpotentiale in V (c = 1 mol/L, bei  = 25 °C und p = 101,3 kPa) 2+ Mg/Mg –2,36 2+ –0,76 Zn/Zn H2/2 H3O + 0,00 2+ 0,35 + 0,80 Cu/Cu Ag/Ag Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW CH LK HT 1 Seite 1 von 8 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung 2010 Chemie, Leistungskurs 1. Aufgabenart Bearbeitung einer Aufgabe, die auf fachspezifischen Vorgaben basiert 2. Aufgabenstellung Das Meidinger-Element – eine historische Energiequelle 1. Erläutern Sie den Aufbau und die Funktionsweise des Meidinger-Elements. Ermitteln Sie die Veränderungen im Element bei Stromfluss. (20 Punkte) 2. Begründen Sie die Maßnahmen zur Wartung des Meidinger-Elements. Deuten Sie die Beobachtungen und Maßnahmen nach Erschütterung eines befüllten Meidinger-Elements. Berechnen Sie die Zellspannung des Meidinger-Elements unter der Annahme einer Standard-Zinkhalbzelle am Minuspol. (16 Punkte) 3. Beschreiben und deuten Sie den unterschiedlichen Spannungsverlauf bei der Entladung des Daniell-Elements und des Meidinger-Elements. (14 Punkte) 4. Beurteilen Sie die beiden Verbesserungsvorschläge im Hinblick auf die Leistungs- verbesserung und Zuverlässigkeit des Elements. (16 Punkte) 3. Materialgrundlage  http://www.zeno.org/Roell-1912/A/Elemente,+galvanische (22.02.2009) th  Handbook of Chemistry and Physics, 67 Edition, CRC-Press, Boca Raton, Fla. 1986, D-221 ff.  http://biade.itrust.de/biade/ (22.02.2009)  http://stern.medizinfuchs.de/preisvergleich/ (22.02.2009) Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW CH LK HT 1 Seite 2 von 8 4. Bezüge zu den Vorgaben 2010 1. Inhaltliche Schwerpunkte Themenfeld: Gewinnung, Speicherung und Nutzung elektrischer Energie in der Chemie  Batterien und Akkumulatoren: Grundprinzip der Funktionsweise  galvanische Zelle: Vorgänge an Elektroden, Potentialdifferenz  Spannungsreihe der Metalle/Nichtmetalle: Additivität der Spannungen, Standardelektrodenpotential  Nernst-Gleichung (quantitative Behandlung) – System Metall/Metall-Ion, Systeme Wasserstoff/Oxonium-Ion und Hydroxid-Ion/Sauerstoff (jeweils unter Standardbedingungen) – System Halogenid-Ion/Halogen – pH-abhängige Systeme (unter Standardbedingungen)  einfache Elektrolyse im Labor 2. Medien/Materialien  entfällt 5. Zugelassene Hilfsmittel  Wissenschaftlicher Taschenrechner  Periodensystem  Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung 6. Vorgaben für die Bewertung der Schülerleistungen Teilleistungen – Kriterien a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe 1 Anforderungen Der Prüfling 1 maximal erreichbare Punktzahl (AFB)1 1a erläutert den Aufbau und die Funktionsweise des Meidinger-Elements, z. B.:  Kupfer-Halbzelle und Zink-Halbzelle, Magnesiumsulfat-Lösung als Elektrolyt  Die Halbzellen sind ohne Diaphragma übereinander angeordnet.  Die beiden Elektrolyten bleiben wegen ihrer unterschiedlichen Dichte getrennt. 6 (II) 1b erläutert den Aufbau und die Funktionsweise des Meidinger-Elements, z. B.: 2+ 2+  U°(Cu/Cu ) > U°(Zn/Zn ) 2+ –  Pluspol: Cu + 2e  Cu, Reduktion 2+ – Minuspol: Zn  Zn + 2e , Oxidation 4 (I) 1c erläutert den Aufbau und die Funktionsweise des Meidinger-Elements, z. B.:  Die Kupfersulfat-Lösung bleibt trotz der Reduktion von Kupfer-Ionen gesättigt, da Kupfer-Ionen aus dem Vorrat (bis zur Sättigung) in Lösung gehen: 2+ 2– CuSO4 (s)  Cu (aq) + SO4 (aq).  Die Magnesiumsulfat-Lösung dient als Elektrolyt, ist jedoch nicht an den Elektrodenreaktionen beteiligt. 4 (II) AFB = Anforderungsbereich Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW CH LK HT 1 Seite 3 von 8 2 ermittelt die Veränderungen im Meidinger-Element bei Stromfluss. (Hinweis: Es wird erwartet, dass der Prüfling auf die Massenzu- bzw. Massenabnahme an den Blechen, die Zunahme der Konzentration der Zink-Ionen, die Wanderung der Sulfat-Ionen und die Abnahme des Kupfersulfat-Vorrats eingeht.) 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) 6 (I) Teilaufgabe 2 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl (AFB) 1 begründet die Maßnahmen zur Wartung des Meidinger-Elements, z. B.:  Die Elektrolyt-Lösung im Bereich der Zink-Elektrode wird durch Wasser ersetzt, da durch Zunahme der Zink-Ionen-Konzentration die Spannung absinkt und der Dichteunterschied zwischen den beiden Elektrolyt-Lösungen abnimmt.  Das Zinkblech muss ausgetauscht und Kupfersulfat muss nachgefüllt werden, da Zink und Kupfer-Ionen bei der Zellreaktion umgesetzt werden. 6 (II) 2 deutet die Beobachtungen und Maßnahmen nach Erschütterung eines befüllten Meidinger-Elements, z. B.:  Die Verfärbung weist auf Kupferablagerungen durch Reduktion von Kupfer- Ionen hin; diese sind aufgrund einer Vermischung der Elektrolyt-Lösungen an das Zinkblech gelangt.  Das Zinkblech und die Elektrolyt-Lösung müssen ersetzt werden, denn die obere Elektrolyt-Lösung darf keine Kupfer-Ionen enthalten, da sich sonst Kupfer auf der Zink-Elektrode abscheiden würde. 4 (III) 3 berechnet die Zellspannung des Meidinger-Elements unter Annahme einer Standard- Zinkhalbzelle am Minuspol, z. B.: 2+  c(Cu ) = 1,36 mol/L 2+ 2+ 2+  U(Cu/Cu ) = U°(Cu/Cu ) + (0,059 V / 2) · lg(c(Cu )) ≈ 0,354 V 2+ 2+  U(Meidinger-Element) = U(Cu/Cu ) – U(Zn/Zn ) ≈ 1,114 V 6 (II) 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Teilaufgabe 3 Anforderungen Der Prüfling 1 maximal erreichbare Punktzahl (AFB) beschreibt den unterschiedlichen Spannungsverlauf bei der Entladung des Daniell- Elements und des Meidinger-Elements. (Hinweis: Es wird erwartet, dass der Prüfling in seiner Beschreibung auf die höhere Spannung im Meidinger-Element, auf die unterschiedliche Anfangs- und Endspannung und auf den Spannungsabfall in Abhängigkeit von der Entladung eingeht.) 6 (I) 2a deutet den Spannungsverlauf des Daniell-Elements, z. B.:  Beim Betrieb des Daniell-Elements nimmt die Konzentration der Zink-Ionen zu, die der Kupfer-Ionen ab.  Der Konzentrationsterm für die Kupfer-Halbzelle ändert sich stark, wenn kaum noch Kupfer-Ionen vorhanden sind. 4 (II) Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW CH LK HT 1 Seite 4 von 8 2b deutet den Spannungsverlauf des Meidinger-Elements. (Hinweis: Es wird erwartet, dass ein Zusammenhang zwischen sehr niedriger Zink- Ionen-Konzentration bei frisch befülltem Meidinger-Element und dem Logarithmus- Term der Nernst-Gleichung für die Zink-Halbzelle hergestellt wird. Eine Quanti- fizierung wird nicht erwartet.) 3 4 (III) erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Teilaufgabe 4 Anforderungen Der Prüfling 1a ermittelt Daten für die Beurteilung des Ersatzes der Kupfer-Halbzelle des Meidinger- Elements durch eine Silber-Halbzelle, z. B.: + 2+  U°(Ag/Ag ) > U°(Cu/Cu )  Die Leitfähigkeit einer 40 %igen Silbernitrat-Lösung ist höher als die einer gesättigten Kupfersulfat-Lösung.  Silbernitrat ist lichtempfindlich. maximal erreichbare Punktzahl (AFB) 6 (II) 1b beurteilt den Ersatz der Kupfer-Halbzelle durch eine Silber-Halbzelle im Hinblick 4 (III) auf die Leistungsverbesserung und Zuverlässigkeit des Meidinger-Elements, z. B.:  Aus dem Potential und der Leitfähigkeit ergibt sich eine höhere Leistungsfähigkeit der Silber-Halbzelle.  Die Silber-Halbzelle muss aufgrund der Lichtempfindlichkeit vor Licht geschützt werden, da sonst die Zuverlässigkeit des Elements sinkt. 1c ermittelt Daten für die Beurteilung der Erhöhung der Konzentration der Magnesium- sulfat-Lösung, z. B.: 3  Die Dichte der 20 %igen Magnesiumsulfat-Lösung ist mit 1,22 g/cm ungefähr gleich der Dichte der Kupfersulfat-Lösung.  Die Leitfähigkeit der 20 %igen Lösung ist größer als die der der 10 %igen Lösung. 4 (II) 1d beurteilt die Erhöhung der Konzentration der Magnesiumsulfat-Lösung im Hinblick auf die Leistungsverbesserung und Zuverlässigkeit des Meidinger-Elements, z. B.:  Die Magnesiumsulfat- und Kupfersulfat-Lösungen würden sich vermischen, wodurch das Element nach kurzer Zeit unbrauchbar würde; es ist daher nicht sinn- voll, 20 %ige Magnesiumsulfat-Lösung wegen der höheren Leitfähigkeit zu ver- wenden. 2 (III) 2 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) b) Darstellungsleistung Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 führt seine Gedanken schlüssig, stringent und klar aus. 5 2     4 strukturiert seine Darstellung sachgerecht und übersichtlich, verwendet eine differenzierte und präzise Sprache, veranschaulicht seine Ausführungen durch geeignete Skizzen, Schemata etc., gestaltet seine Arbeit formal ansprechend. Nur für den Dienstgebrauch!

CH LK HT 1 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW Seite 5 von 8 7. Bewertungsbogen zur Prüfungsarbeit Name des Prüflings: ____________________________________ Kursbezeichnung: ____________ Schule: _____________________________________________ Teilaufgabe 1 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl (AFB) 1a erläutert den Aufbau … 6 (II) 1b erläutert den Aufbau … 4 (I) 1c erläutert den Aufbau … 4 (II) 2 ermittelt die Veränderungen … 6 (I) 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe 1. Teilaufgabe EK 2 ZK DK 20 Teilaufgabe 2 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling 1 begründet die Maßnahmen … 6 (II) 2 deutet die Beobachtungen … 4 (III) 3 berechnet die Zellspannung … 6 (II) 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe 2. Teilaufgabe 2 maximal erreichbare Punktzahl (AFB) 16 EK = Erstkorrektur; ZK = Zweitkorrektur; DK = Drittkorrektur Nur für den Dienstgebrauch! EK ZK DK

CH LK HT 1 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW Seite 6 von 8 Teilaufgabe 3 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl (AFB) 1 beschreibt den unterschiedlichen … 6 (I) 2a deutet den Spannungsverlauf … 4 (II) 2b deutet den Spannungsverlauf … 4 (III) 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe 3. Teilaufgabe EK ZK DK 14 Teilaufgabe 4 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl (AFB) 1a ermittelt Daten für … 6 (II) 1b beurteilt den Ersatz … 4 (III) 1c ermittelt Daten für … 4 (II) 1d beurteilt die Erhöhung … 2 (III) 2 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe 4. Teilaufgabe 16 Summe der 1., 2., 3. und 4. Teilaufgabe 66 EK ZK DK Darstellungsleistung Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 führt seine Gedanken … 5 2 strukturiert seine Darstellung … 4 Summe Darstellungsleistung 9 Summe insgesamt (inhaltliche und Darstellungsleistung) 75 Nur für den Dienstgebrauch! EK ZK DK