Aufgabe 4 – Edelmetalle

In Smartphones, Tablets sowie weiteren elektronischen Geräten sind u. a. Edelmetalle wie z.B. Gold, Kupfer und Silber in elektrisch leitenden Bauteilen enthalten. Deren Rückgewinnung ist sowohl unter ökologischen als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoll.

Häufig werden diese Metalle nicht in reiner Form, sondern als metallische Legierungen in elektronischen Bauteilen verwendet.

1.1

Zur Rückgewinnung der Metalle werden die Legierungen mit Salpetersäure behandelt. Folgende Reaktionsgleichung gibt vereinfacht den Ablauf der Reaktion des in der Legierung vorkommenden Silbers mit Salpetersäure wieder:

$\color{#0096c8}{\text{a}}\,Ag + \color{#0096c8}{\text{b}}\,HNO_3$ $\longrightarrow$ $\color{#0096c8}{\text{c}}\,AgNO_3 + \color{#0096c8}{\text{d}}\,NO + \color{#0096c8}{\text{e}}\,H_2O$

Hinweis: In Silbernitrat $(AgNO_3)$ ist das Silber-Ion einfach positiv geladen.

Gib die in der Reaktionsgleichung fehlenden stöchiometrischen Koeffizienten a, b, c, d und e an.
Erläutere, dass es sich hierbei um eine Redoxreaktion handelt.
Begründe unter Verwendung der in Anlage 3 tabellierten Elektrodenpotenziale, ob eine Reaktion von Gold $(Au)$ und Kupfer $(Cu)$ mit Salpetersäure zu erwarten ist.

(6 VP)

1.2

Eine metallische Legierungsprobe mit einer Masse von $16,0\,\text{g}$ enthält neben Silber ausschließlich Kupfer und Gold. Diese Probe wird mit Salpetersäure zur Reaktion gebracht.
Zur Bestimmung des Silberanteils in der Legierungsprobe wird die entstandene Metallsalz-Lösung neutralisiert $(pH =7)$ und anschließend elektrolysiert. Hierbei wird an einer Elektrode ausschließlich elementares Silber abgeschieden. An der anderen Elektrode ist die Bildung eines Gases beobachtbar, mit dem die Glimmspanprobe positiv verläuft.

Stelle jeweils eine Teilgleichung für die Reaktion auf, die bei der Elektrolyse an der jeweiligen Elektrode abläuft.
Bestimme unter Verwendung der in Anlage 3 tabellierten Elektrodenpotenziale den Spannungsbereich, bei dem die Abscheidung von Silber stattfindet, ohne dass auch Kupfer abgeschieden wird.
Beschreibe eine experimentelle Vorgehensweise zur Bestimmung der Masse an abgeschiedenem Silber.
Berechne den Massenanteil $ω$ in $\,\%$ an Kupfer in der Legierungsprobe, wenn angenommen wird, dass $25\,\text{mg}$ Gold enthalten sind und bei der Elektrolyse $300\,\text{mg}$ Silber abgeschieden werden.

(6 VP)

In verschiedenen Experimenten wird das Elektrodenpotenzial einer Silber-Halbzelle gegenüber einer Wasserstoff-Halbzelle untersucht.

2.1

Zunächst soll das Standardpotenzial $E^0(Ag / Ag^+)$ einer Silber-Halbzelle mithilfe einer Standard-Wasserstoff-Halbzelle experimentell bestimmt werden.

Fertige für dieses Experiment eine beschriftete Skizze an.
Erläutere mit Hilfe einer Berechnung die Vorgehensweise zur Herstellung von $50\,\text{mL}$ der für das Experiment benötigten Silbernitrat-Lösung, wenn für das Experiment eine konzentrierte Silbernitrat-Lösung zur Verfügung steht, die in einem Liter $200\,\text{g}$ Silbernitrat enthält.

(5 VP)

2.2

In zwei weiteren Experimenten soll die Änderung des Elektrodenpotenzials bei Zugabe einiger Tropfen konzentrierter Salzsäure untersucht werden. Hierzu wird in einem Fall die Salzsäure in die Silber-Halbzelle gegeben, im anderen Fall in die Standard-Wasserstoff-Halbzelle. In beiden Fällen ist zu beobachten, dass die gemessene Spannung kleiner wird.

Erläutere die bei beiden Experimenten gleiche Beobachtung unter Betrachtung der Veränderung der Elektrodenpotenziale.

(3 VP)

(20 VP)

1.1

Reaktionsgleichung mit den fehlenden stöchiometrischen Koeffizienten

Begründung der Redoxreaktion

Die Oxidationszahlen zeigen eine Elektronenübertragung:
Das gibt ein Elektron ab und wird oxidiert und der Stickstoff nimmt drei Elektronen auf und wird reduziert.

Alternative: Aufstellen von Teilgleichungen

Reaktionsgleichungen anzeigen

Reaktion von Gold und Kupfer mit Salpetersäure

$Au/Au^{3+}$ hat mit $1,50\,\text{V}$ ein positiveres Elektrodenpotenzial als das Potenzial der Reduktion von Salpetersäure ( $0,96\,\text{V}$ ). Elementares Gold wirkt daher nicht als Reduktionsmittel.
$Cu/Cu^{2+}$ hat mit $0,34\,\text{V}$ ein negativeres Potenzial. Kupfer wird also von der Salpetersäure oxidiert.

1.2

Elektrodenteilgleichungen

Reaktionsgleichungen anzeigen

Bestimmung der Spannungsbereiche

Mögliche Reaktionen am Minuspol (Kathode):

Reaktionsgleichungen anzeigen

Mögliche Reaktionen am Pluspol (Anode):

Reaktionsgleichungen anzeigen

Durch Kombination der möglichen Reaktionen ergeben sich folgende Spannungen:

$\color{#ffffff}{\text{(I)}}$ mit $\color{#ffffff}{\text{(IV)}}$
Abscheidung von Silber und Sauerstoff
$U_1= 0,82 V - 0,80 V = 0,02 V$

$\color{#ffffff}{\text{(II)}}$ mit $\color{#ffffff}{\text{(IV)}}$
Abscheidung von Kupfer und Sauerstoff
$U_2= 0,82 V - 0,34 V = 0,48 V$

$\color{#ffffff}{\text{(III)}}$ mit $\color{#ffffff}{\text{(IV)}}$
Wasserzersetzung
$U_W= 0,82 \,\text{V} - ( - 0,41 \,\text{V}) = 1,23 \,\text{V}$

Die Metallabscheidung erfolgt durch das Anlegen einer äußeren Spannung $U_Z \geq U$ .
Wenn $U_1 \lt U_Z \lt U_2$ ist, dann wird bei der Elektrolyse Silber am Minuspol abgeschieden.

Die Darstellung vernachlässigt die, durch die Abscheidung von Gasen auftretende, Überspannung.

Bestimmung der Silbermasse

Vor dem Experiment wird der Metallstab, an dem Silber abgeschieden wird (Minuspol), gewogen. Nach der Reaktion wird dieser vorsichtig getrocknet (ggf. mit Hilfe von leichtflüchtigen Lösungsmitteln wie Aceton) und erneut gewogen. Die Silbermasse ergibt sich nun aus der Massendifferenz.

Massenanteil von Silber in der Legierung

$\begin{array}[t]{rll} m_{Cu} &=& m\,_\text{Legierung} - m_{Ag} - m_{Au}& \\[5pt] &=& 16,0 \,\text{g} - 0,300 \,\text{g} - 0,025 \,\text{g} & \\[5pt] &=& 15,675 \,\text{g} & \\[10pt] \omega_{Cu} &=& \dfrac{m_{Cu}}{m\,_\text{Legierung}} \cdot 100\,\% & \\[5pt] &\approx& 98 \,\% \end{array}$

2.1

Versuchsaufbau zur Messung des Standardpotenzials der Silber-Halbzelle

Vorgehensweise zur Herstellung der benötigten Silbernitrat-Lösung

$\begin{array}[t]{rll} M_{AgNO_3}&=& 169,9 \,\text{g} \cdot \text{mol}^{-1}& \\[5pt] m_{AgNO_3}&=& 200\,\text{g} \end{array}$

Da eine einmolare Silbernitrat-Lösung benötigt wird, folgt:

Lösung anzeigen

Um eine einmolare Lösung für die Silber-Halbzelle zu erhalten, werden $849,5\,\text{mL}$ konzentrierte Lösung im Messkolben auf einen Liter aufgefüllt.
Für das Experiment reicht es ca. $42,47\,\text{mL}$ auf $50\,\text{mL}$ aufzufüllen.

2.2

Erläuterung der gleichen Beobachtung anhand der Elektrodenpotenziale

Zugabe von Salzsäure zur Silber-Halbzelle:
Die Silber-und Chlorid-Ionen reagieren zu schwerlöslichem Silberchlorid.

$Ag^+ + Cl^-$ $\rightarrow$ $AgCl\,_\text{(s)}$

Das Potenzial der Halbzelle und die gemessene Spannung sinken, da die Konzentration der Silber-Ionen abnimmt.

Zugabe von Salzsäure zur Wasserstoff-Halbzelle:
Wenn sich die $H_3O^+$ - Ionenkonzentration erhöht, verschiebt sich das Gleichgewicht auf die rechte Seite und das Abscheidungspotenzial an der Platin-Elektrode erhöht sich.

$2\, H_3O^+ + 2\,e^-$ $\rightarrow$ $H_2 + 2\,H_2O$

Das Potenzial der Wasserstoffelektrode wird positiver ("edler") und die Spannungsdifferenz im galvanischen Element kleiner.