ELEKTROCHEMIE. Elektrischer Strom: Fluß von elektrischer Ladung. elektrolytische (Ionen) Zwei Haupthemen der Elektrochemie.

Transkript

1 ELEKTROCHEMIE Elektrischer Strom: Fluß von elektrischer Ladung Elektrische Leitung: metallische (Elektronen) elektrolytische (Ionen) Zwei Haupthemen der Elektrochemie Galvanische Zellen Elektrolyse Die Reaktionsenthalpie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird Chemische Reaktion, die durch elektrischen Strom bewirkt wird 1

2 ELEKTROLYSE Elektrolyse von geschmolzenem NaCl Reduktion Oxidation 2

3 Elektrolyse von geschmolzenem NaCl (Downs-Verfahren) Schmelze Eisen Graphit Eisen 3

4 Elektrolyse von wäßriger Na 2 SO 4 -Lösung Stromquelle H 2 O H + + OH - Kathodenprozeß (Reduktion): 2H + + 2e - H 2 Anodenprozeß (Oxidation): 2OH - 1/2O 2 + H 2 O + 2e - Kathode Anode Die H + -Ionen werden leichter entladen als die Na + -Ionen Die OH - - Ionen werden leichter entladen als die SO Ionen 4

5 Stöchiometrie bei der Elektrolyse Na + + e - Na Die elektrische Ladung von 1 Mol Elektronen: F = 6, mol -1. 1, C = C/mol m = M z. Q F M = Masse des abgeschiedenen Stoffes M = Molare Masse z = Ldungszahl des Ions Q = zugeführte (abgezogene) Ladung (C) F = Faradaysche Konstante, C Faradaysches Gesetz: Um durch Elektrolyse ein Äquivalent eines Stoffes umzusetzen, werden F = C benötigt. 5

6 Luigi Galvani ( ) Alessandro Volta ( ) 6

7 Galvanische Zellen elektrische Stromquellen, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu Die Reaktion kann in zwei Halbreaktionen zerlegt werden: Anode Kathode poröse Trennwand - + Zn ZnSO 4 (1 mol/dm 3 ) CuSO 4 (1 mol/dm 3 Cu Zn Zn e - Oxidation Cu e - Reduktion Cu Das elektrische Potential einer galvanischen Zelle = elektromotorische Kraft (EMK) EMK = ε (Kathode) - ε (Anode) 7

8 Elektrodenpotenziale Entstehen des Elektrodenpotentials Metallelektrode Lösung Elektrodenvorgang: Me Me n+ + ne - ne - + _ Me n+ elektrische Doppelschicht Elektrodenpotenzial Der absolute Wert des Elektrodenpotenzials kann nicht gemessen werden EMK = ε (Kathode) - ε (Anode) 8

9 Wasserstoffelektrode Platinelektrode Salzbrücke Platinplatte 9

10 Norm(al)-Wasserstoffelektrode Voltmeter p(h 2 ) = 101,3 kpa (Normaldruck) c(h + ) = 1 mol/dm 3 ε = 0,00 V (willkürlich festgelegt) alle Elektrodenpotenziale werden auf die Normal-Wasserstoffelektrode bezogen E = e o (X) e o (H 2 ) (Cu/Cu 2+ ) Normal-Wasserstoffelektrode E = e o (Cu) e o (H 2 ) = +0,34 V e o (Cu) = + 0,34 V 10

11 Normal-Elektrodenpotenziale, und die Elektromotorische Kräfte (E o ) 11

12 Die elektrochemische Spannungsreihe (Normalpotenziale, bei 25 o C Standardpotenziale) Elektrodenvorgang 12

13 Melonezelle 13

14 Die Gleiche mit Zitronen 14

15 Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials (Nernstsche Gleichung) RT e = e o + n.f lnc bzw. e = e o + 0,05916 n logc e o = Normal-Elektrodenpotenzial c = Konzentration, mol/dm 3 R = ideale Gaskonstante T = Temperatur F = Faradaysche-Konstante (96485 C) n = die Anzahl der am Elektrodenprozeß beteiligten Elektronen Die elektromotorische Kraft des Daniell-Elements o o eme = ε - ε + Cu Zn RT nf ln c c Cu Zn Walther Nernst ( ) 15 Nobelpreis für Chemie 1920

16 Konzentrationskette Bestehen aus zwei identischen Elektroden, die Konzentrationen der Lösungen sind aber unterschiedlich. z. B. Cu Cu 2+ (0,01 mol/dm 3 ) Cu 2+ (0,1 mol/dm 3 Cu e(1) = e o + 0, log 0,01 e(2) = e o + 0, log 0,1 E = e (2) e (1) = 0, log 0,1 0,01 = 0,0296 V 16

17 Bezugselektroden Das Elektrodenpotential einer galvanischen Zelle ändert sich ständig während der Funktion, da die Konzentrationen nicht konstant sind. Bei den Bezugselektroden, bleibt die Konzentration und dementschprechend das Elektrodenpotenzial konstant z.b.: Ag/AgCl-Elektrode, Hg/Hg 2 Cl 2 -Elektrode Ag KCl-Lsg. 1 M AgCl Cl - Ag + e = e o (Ag) + e = e o (Ag) + konstant RT n.f lnc(ag+ ) L = c(ag + ). c(cl - ) RT n.f ln L c(cl - ) konstante(ag/agcl) = 0, V

18 ph-messung mit Glaselektrode Ag Pufferlösung KCl- Lösung ph-empfindliche Glaselektrode poröse Trennwand ε(ü) = ε ο (ü) + 0,059lgc(H + ) ε(ref) = konstans E = ε(ü) ε(ref) 18

19 Glaselektrode Membran/Lösung Grenzfläche Ag/AgCl innere Referenzelektrode ph = 7 Pufferlösug gesättigt mit AgCl 19

20 Brennstoffzellen 20

21 Brennstoffzellen 21

22 Methanolwirtschaft György Oláh Nobel Preis (1994) Anode: CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6H + + 6e- Kathode: (3/2)O 2 + 6H + + 6e - 3H 2 O Brutto Reaktion: CH 3 OH + (3/2)O 2 CO 2 + 2H 2 O 22

23 Das Lechlanché-Element 23

24 Elektrochemie in der Zahnmedizin Goldkrone Zahnfüllung Lokalelement Das unedlere Metall wird oxidiert, wird gelöst 24