Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Elektrochemie, wo die Geheimnisse des Ladungstransports und der elektrochemischen Reaktionen enthüllt werden! Dieses Buch bietet einen umfassenden Einblick in die Grundlagen der Elektrolyte, von echten Elektrolyten wie Salzlösungen bis hin zu potenziellen Elektrolyten mit polarer Atombindung. Entdecken Sie die komplexen Vorgänge an der Phasengrenze einer Elektrode, die zur Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht und eines Elektrodenpotentials führen. Erforschen Sie die elektrochemische Spannungsreihe und die Nernstsche Gleichung, um die Abhängigkeit des Elektrodenpotentials von Konzentration und Metall zu verstehen. Anhand anschaulicher Beispiele werden elektrochemische Fällungen und Reaktionen unedler Metalle mit verdünnter Säure detailliert erläutert. Das Buch führt Sie ein in die Funktionsweise galvanischer Elemente wie des Daniell-Elements und Sekundärelemente (Akkumulatoren), die chemische in elektrische Energie umwandeln und umgekehrt. Verfolgen Sie den Weg der Elektronen in der Donator- und Akzeptorhalbzelle des Daniell-Elements und verstehen Sie die Prozesse an Anode und Kathode. Die detaillierte Beschreibung der Zellreaktion, der Potentialdifferenzen und der Zellspannung vermittelt ein tiefes Verständnis der elektrochemischen Gleichgewichte. Ob Student, Wissenschaftler oder einfach nur neugieriger Leser, dieses Buch bietet einen klaren und fundierten Zugang zur Elektrochemie, der Ihnen die Augen für die elektrochemischen Prozesse öffnet, die unsere moderne Welt prägen. Ergründen Sie die Prinzipien hinter Batterien, Akkumulatoren und elektrochemischen Sensoren und entdecken Sie das Potential dieser Schlüsseltechnologie für zukünftige Anwendungen in Energie, Umwelt und Medizin. Lassen Sie sich von der Elektrochemie begeistern und erweitern Sie Ihr Wissen über die fundamentalen Gesetzmäßigkeiten der Materie.
Elektrochemie
Elektrolyte sind Stoffe, die den Ladungstransport ermöglichen (frei bewegliche Ladungsträger sind vorhanden)
Echte Elektrolyte: Salzlösungen, Salzschmelzen (NaCL · Na+ + CL-
Potentielle Elektrolyte: Stoffe mit polarer Atombindung (Ionen etstehen durch Lösungsmittelzugabe) (NH3 +H2O
- NH4+ + OH-
Elektrode / Elektrodenpotential
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Elektrodenreaktion
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Elektrodensymbol: Me/Men+
Eine Elektrode ist eine Kombination eines elektronenleitenden Stoffes mit einer Elektrolytlösung
Vorgänge an der Phasengrenze:
- Metallionen aus dem Stab gehen in Lösung · negative Ladung des Stabes (Elektronen bleiben zurück), positive Ladung der Lösung
- Aufbau eines elektrischen Feldes, die Spannung entspricht dem Elektrodenpotential
- Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht
Abhängigkeit des Elektrodenpotentials
- von Konzentration der Salzlösung: je größer C, desto geringer U, da geringerer Ionenaustausch
- vom Metall: je unedler das Metall, desto eher geht es in Lösung, U ist höher
Elektrochemische Spannungsreihe
Nernstsche Gleichung
E = E_ + (0,059V/2) * lg(COM/CRM)
0,059= R*T/F * 2.3 Eθ...Standardelektrodenpotential
R...universelle Gaskonstante
T...298K
F...Faradaykonstante
2.3...Umrechnungskonstante ln·lg
CRM...bei Feststoffen definiert 1mol/l
Beispiel
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Elektrochemische Reaktionen
- laufen an der Phasengrenzfläche zwischen Metall und Elektrolytlösung ab
- elektrochemische Fällung
- je edler das Metall, desto höher sein Standardelektrodenpotential
- [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]unedles Metall
- [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]edles Metall
- Metall geht in Lösung, wenn sein Standardpotential geringer als das des Metalls in Lösung ist
Reaktion von unedlen Metallen mit verdünnter Säure
Beispiel:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1.Redoxpaar (Oxidation / e- Abgabe)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2. Redoxpaar (Reduktion / e- Aufnahme)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
- unedles Metall geht aufgrund seines negativeren Potentials in Lösung
- unedle Metalle reagieren mit verdünnten Säuren, Edelmetalle nicht
Galvanische Elemente
- Ein galvanisches Element ist eine Kombination von 2 Me/Men+-Elektroden (Halbzelle) Primärelement
Umwandlung von chemischer in elektrische Energie, solange bis RM oder OM aufgebraucht sind
Beispiel: Daniell-Element, Zink-Kohle-Batterien
Sekundärelement (Akkumulator)
Durch Zufuhr elektrischer Energie sind diese Elemente wieder in den Ausgangszustand
rückführbar
Beispiel: Bleiakkumulator
Daniell-Element
Daniell, John Frederick, englischer Physiker 1790-1845, Grundlegende Versuche über die Elektrolyse, Erfinder des Daniell-Elementes (galvanisches Element)
Daniell-Element: ein durch eine poröse Wand separierter Behälter mit einer Zink- und einer Kupferelektrode, die in wäßrigem Zinksulfat bzw. Kupfersulfat tauchen 1936)
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]links Donatorhalbzelle, rechts Akzeptorhalbzelle
- wenn Elektroden verbunden werden fließen Elektronen von der Zink- zur Kupferhalbzelle
- Zinkelektrode=Minuspol
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zellreaktion
- Zinkionen gehen in Lösung
- Wird oxidiert
- In der Kupferhalbzelle werden gleich viele Ionen reduziert und an der Elektrode abgeschieden
- Anode: positive Ladungsträger gehen in Lösung
- Kathode: positive Ladungsträger gehen von der Lösung ins Metall
- Zn=Anode, Cu=Kathode
- Reaktionsablauf: Elektronen werden von Zn-Elektrode ins Kupfer transportiert
- Zur Aufrechterhaltung des Stromflusses muß Ladungsausgleich zwischen Salzlösungen möglich sein (realisiert z.B. durch Diaphragma oder Stromschlüssel)
- Elektronenfluß wird durch Spannung hervorgerufen (Potentialdifferenz)
- Potential ist Maß für Stärke des elektrischen Feldes an einem Ort
- Zwischen Orten mit unterschiedlichem Potential besteht Spannung
- Spannung ist Maß für Potentialdifferenz
- In der galvanischen Zelle haben beide Elektroden unterschiedliche Potentiale
- Potentialdifferenz: In einer Halbzelle treten durch die Phasengrenze ständig Metallionen in beide Richtungen hindurch. Überwiegt die Abgabe von Metallionen aus der festen in die flüssige Phase, lädt sich die feste Phase negativ auf, bei Ionenaufnahme aus flüssiger Pjase positiv.
- Elektrische Aufladung der Phasen wirkt einem weiteren einseitigen Übergang entgegen · Ausbildung des elektrochemischen Gleichgewichtes
- Nach Einstellung des GG besitzen Halbzellen unterschiedliche Potentiale · Differenz
Zinkelektrode (Oxidation)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Kupferelektrode (Reduktion)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Zellspannung
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UB = Donatorspannung
Häufig gestellte Fragen
Was sind Elektrolyte gemäß diesem Text?
Elektrolyte sind Stoffe, die den Ladungstransport ermöglichen, weil sie frei bewegliche Ladungsträger enthalten. Beispiele sind Salzlösungen und Salzschmelzen (echte Elektrolyte) sowie Stoffe mit polarer Atombindung, bei denen Ionen durch Lösungsmittelzugabe entstehen (potentielle Elektrolyte).
Wie ist eine Elektrode definiert?
Eine Elektrode ist eine Kombination eines elektronenleitenden Stoffes mit einer Elektrolytlösung. Das Elektrodensymbol wird als Me/Men+ dargestellt.
Welche Vorgänge finden an der Phasengrenze einer Elektrode statt?
An der Phasengrenze gehen Metallionen aus dem Stab in Lösung, wodurch der Stab negativ geladen wird (Elektronen bleiben zurück) und die Lösung positiv. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld, dessen Spannung dem Elektrodenpotential entspricht, und es bildet sich eine elektrochemische Doppelschicht.
Wovon hängt das Elektrodenpotential ab?
Das Elektrodenpotential hängt von der Konzentration der Salzlösung ab (je größer die Konzentration, desto geringer das Potential) und vom Metall selbst (je unedler das Metall, desto eher geht es in Lösung, das Potential ist höher).
Was besagt die Nernstsche Gleichung?
Die Nernstsche Gleichung beschreibt die Abhängigkeit des Elektrodenpotentials von der Konzentration der beteiligten Ionen. Sie wird in diesem Text wie folgt dargestellt: E = E_ + (0,059V/2) * lg(COM/CRM), wobei Eθ das Standardelektrodenpotential, R die universelle Gaskonstante, T die Temperatur in Kelvin, F die Faradaykonstante und CRM die Konzentration (bei Feststoffen definiert als 1mol/l) sind.
Wo laufen elektrochemische Reaktionen ab?
Elektrochemische Reaktionen laufen an der Phasengrenzfläche zwischen Metall und Elektrolytlösung ab. Dazu gehört auch die elektrochemische Fällung.
Wie verhalten sich unedle Metalle gegenüber verdünnter Säure?
Unedle Metalle reagieren mit verdünnten Säuren, während Edelmetalle dies nicht tun. Dies liegt daran, dass unedle Metalle ein negativeres Potential haben und daher leichter in Lösung gehen.
Was ist ein galvanisches Element?
Ein galvanisches Element ist eine Kombination von zwei Me/Men+-Elektroden (Halbzellen). Es wandelt chemische Energie in elektrische Energie um, solange RM oder OM verbraucht werden. Beispiele sind das Daniell-Element und Zink-Kohle-Batterien.
Was ist ein Sekundärelement (Akkumulator)?
Ein Sekundärelement (Akkumulator) kann durch Zufuhr elektrischer Energie wieder in den Ausgangszustand zurückgeführt werden. Ein Beispiel ist der Bleiakkumulator.
Wie funktioniert das Daniell-Element?
Das Daniell-Element besteht aus einem durch eine poröse Wand separierten Behälter mit einer Zink- und einer Kupferelektrode, die in wässrigem Zinksulfat bzw. Kupfersulfat eintauchen. Bei Verbindung der Elektroden fließen Elektronen von der Zink- zur Kupferhalbzelle. Die Zinkelektrode ist der Minuspol. Zinkionen gehen in Lösung (Oxidation), während in der Kupferhalbzelle Kupferionen reduziert und an der Elektrode abgeschieden werden.
Welche Rolle spielen Anode und Kathode im Daniell-Element?
An der Anode (Zn) gehen positive Ladungsträger in Lösung (Oxidation), während an der Kathode (Cu) positive Ladungsträger von der Lösung ins Metall gehen (Reduktion). Die Elektronen werden von der Zn-Elektrode ins Kupfer transportiert. Ein Ladungsausgleich zwischen den Salzlösungen wird durch ein Diaphragma oder einen Stromschlüssel ermöglicht.
Was ist die Zellspannung und wie entsteht sie?
Die Zellspannung entsteht durch die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden. In jeder Halbzelle treten durch die Phasengrenze ständig Metallionen in beide Richtungen hindurch. Das Überwiegen der Abgabe von Metallionen aus der festen in die flüssige Phase führt zu einer negativen Aufladung der festen Phase (und umgekehrt). Dadurch entsteht ein elektrochemisches Gleichgewicht und die Halbzellen besitzen unterschiedliche Potentiale.
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- Jakob Schumann (Author), 2000, Elektrochemie - Daniell-Element, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/99113
