Aufgabe 4 – Brom

Brom wurde erstmals 1826 durch den französischen Chemiker ANTOINE-JÉRÔME BALARD aus Meeresalgen gewonnen. Die industrielle Produktion begann 1860. Auch heute wird Brom in Labor und Technik in vielfältiger Weise verwendet.

Beim Arbeiten mit leicht flüchtigem, stark giftigem Brom sollte aus Sicherheitsgründen stets eine geeignete Chemikalie bereitstehen, um austretendes Brom unschädlich machen zu können.

1.1

In der Praxis verwendet man dazu häufig eine wässrige Natriumthiosulfat- Lösung $(Na_2S_2O_3),$ die mit Brom unter Bildung von Natriumbromid, Schwefel und Schwefelsäure reagiert.

Stelle eine Reaktionsgleichung für die beschriebene Reaktion auf.
Begründe, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt.

(4 VP)

1.2

Eine gängige Lösung enthält $3$ Massenprozent Natriumthiosulfat.

Beschreibe die Herstellung von $100\,\text{g}$ der angegebenen Natriumthiosulfatlösung.
Überprüfe, ob damit $1\,\text{g}$ Brom unschädlich gemacht werden könnte.

(4 VP)

1.3

Brom besitzt mit $58,8^\circ C$ im Vergleich zu Wasser eine relativ niedrige Siedetemperatur.

Erkläre diesen Sachverhalt.

(2 VP)

Eine technische Anwendung von Brom stellen sogenannte Redox-Flow-Akkumulatoren dar. Deren Besonderheit ist, dass die Elektrolyte außerhalb der Zelle in separaten Tanks (Elektrolytspeicher) gelagert werden und nur zum Zeitpunkt der Ladung oder Entladung durch die Zelle gepumpt werden. Durch die daraus resultierende hohe Speicherkapazität sind sie besonders geeignet zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen in Zeiten eines Überangebots. Diese Energie kann später im Bedarfsfall passgenau abgerufen werden.

2.1

Die in einem Zink-Brom-Redox-Flow-Akkumulator ablaufenden elektrochemischen Vorgänge können zunächst an einer einfachen Galvanischen Zelle theoretisch betrachtet werden.

Zeichne und beschrifte eine einfache Zink-Brom-Zelle.Dazu werden folgende Chemikalien verwendet: Zinkblech, Graphitstab, Brom, Zink $\text{(II)}$ -sulfat, Kaliumbromid und Wasser.
Stelle die Gleichungen der Teilreaktionen beim Lade- und Entladevorgang auf.
Hinweis: Eine Zersetzung von Wasser findet nicht statt.
Berechne die unter Standardbedingungen zu erwartende Spannung.

(6 VP)

2.2

Im Zink-Brom-Redox-Flow-Akkumulator wird in beiden Halbzellen Zink $\text{(II)}$ -bromidlösung eingesetzt.

Beschreibe mithilfe der stark vereinfachten Skizze die Veränderungen in den Elektrolytspeichern und an der Zinkelektrode während des Lade-bzw. Entladevorgangs.
Erläutere eine Möglichkeit, um den Ladezustand eines Zink-Brom-Redox-Flow-Akkumulators zu überprüfen.

(4 VP)

(20 VP)

1.1

Reaktionsgleichung

Redoxreaktion

Die Oxidationszahlen in der Reaktionsgleichung zeigen Elektronenübergänge:

Brom wirkt als Oxidationsmittel und wird selbst reduziert: 0 $\rightarrow$ -I
Die Schwefelatome werden disproportioniert: +II $\rightarrow$ +IV und 0

1.2

Herstellung der Natriumthiosulfatlösung

Für die Herstellung einer $3\,\%$ -igen Natriumthiosulfatlösung werden $3\,\text{g}$ Natriumthiosulfat eingewogen. Anschließend wird mit Wasser auf $100\,\text{g}$ aufgefüllt.

Überprüfung der Unschädlichkeit

Basierend auf der Reaktionsgleichung gilt:

$n(Na_2S_2O_3)= n(Br_2)$

Es folgt:

$\begin{array}[t]{rll} n(Br_2)&=& \dfrac{m(Br_2)}{M(Br_2)} \\[5pt] &=& \dfrac{1\,\text{g}}{159,8\,\text{g}\cdot \text{mol}^{-1} } \\[5pt] &\approx& 0,00626\,\text{mol} \\[15pt] \end{array}$

Rechnung anzeigen

$m(Na_2S_2O_3) \approx 0,989\,\text{g}$

$1\,\text{g}$ Brom können also mit einer $3\,\%$ -igen Natriumthiosulfatlösung unschädlich gemacht werden.

1.3

Erklärung des Sachverhalts

Brom-Moleküle werden über VAN-DER-WAALS-Wechselwirkungen zusammengehalten und Wasser-Moleküle bilden Wasserstoffbrücken aus.
VAN-DER-WAALS-Kräfte können schon mit einem geringen Energieaufwand überwunden werden. Wasserstoffbrückenbindungen hingegen sind stärker und erfordern für die Spaltung einen hohen Ernergieaufwand. Deswegen besitzt Brom im Gegensatz zu Wasser eine realtiv niedrige Siedetemperatur.

2.1

Skizze einer Zink-Brom-Zelle

Teilreaktionen beim Lade- und Entladevorgang

Folgende Reaktionen laufen freiwillig ab und entsprechen dem Entladevorgang:

Teilgleichungen anzeigen

Beim Laden, also beim Anschluss an eine Spannungsquelle, wandelt sich die Zink-Brom-Zelle in eine Elektrolyse-Zelle um.

Teilgleichungen anzeigen

Zu erwartende Spannung

$\begin{array}[t]{rll} U&=&\Delta E^0 \\[5pt] &=&E^0(Kathode)-E^0(Anode)\\[5pt] &=&1,10\,V-(-0,76\,V)\\[5pt] &=&1,86\,V \end{array}$

2.2

Veränderungen in den Elektrolytspeichern und an der Zinkelektrode

Entladung
Beim Entladen lösen sich Zink-Ionen von der Oberfläche, wodurch die Zinkelektrode an Masse verliert. Die abgegebenen Elektronen wandern zur Kathode (über den äußeren Stromkreis). Hier wird außerdem Brom zu $Br^-$ reduziert. Wässrige Lösungen mit Brom zeigen eine gelb-rötliche Farbe, welche sich folglich beim Entladen entfärbt. Der Ladungsausgleich erfolgt durch Ionenwanderung über die Trennwand.

Entladung

Beim Entladen lösen sich Zink-Ionen von der Oberfläche, wodurch die Zinkelektrode an Masse verliert.
Die abgegebenen Elektronen wandern zur Kathode (über den äußeren Stromkreis). Hier wird außerdem Brom zu $Br^-$ reduziert.
Wässrige Lösungen mit Brom zeigen eine gelb-rötliche Farbe, welche sich folglich beim Entladen entfärbt.
Der Ladungsausgleich erfolgt durch Ionenwanderung über die Trennwand.

Ladung
Während des Ladens nimmt die Oberfläche der Zinkelektrode (Minuspol) an Masse zu, da sich Zinkatome abscheiden. Am Pluspol werden die Bromid-Ionen zu Brom reduziert. Außerdem wird sich die Farbe der Lösung zunehmend von gelb nach rot verändern.

Überprüfung des Ladezustandes eines Zink-Brom-Redox-Flow-Akkumulators

Der Ladezustand kann über die Konzentration bestimmt werden. Da die Zink-Ionen-Konzentration und die Brom-Konzentration miteinander gekoppelt sind, reicht es eine der beiden Konzentrationen zu bestimmen.

Die Konzentration kann durch Titration oder Leitfähigkeitsmessung bestimmt werden. Es wäre aber auch eine photometrische Bestimmung von Brom möglich.