Anorganisch-chemisches Praktikum für Human- und Molekularbiologen

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1 Anorganischchemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen 3. Praktikumstag Andreas Rammo Allgemeine und Anorganische Chemie Universität des Saarlandes

2 RedoxReaktionen und Elektrochemie Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 2

3 RedoxReaktionen und Elektrochemie Redoxreaktion: Reaktion mit Elektronenübergang 2 Mg + O 2 2 MgO Mg + Br 2 MgBr 2 2 Mg 2 Mg e O e 2 O 2 Mg 0 Mg e Br e 2 Br Antoine Lavoisier: Reaktion von Elementen mit Sauerstoff: Oxidation! Erhöhung der formalen Oxidationsstufe von Magnesium: Oxidation! Oxidation: Abgabe von Elektronen Reduktion: Aufnahme von Elektronen RedoxReaktion Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 3

4 RedoxReaktionen und Elektrochemie Oxidationsmittel: Ein Teilchen (Atom, Ion, Molekül), welches Elektronen aufnimmt, d.h. als Elektronenakzeptor wirkt. Reduktionsmittel: Ein Teilchen, welches Elektronen abgibt, d.h. als Elektronendonator fungiert. Elektronenabgabe und Elektronenaufnahme sind umkehrbare (reversible) Vorgänge. Oxidation Reduktionsmittel Oxidationsmittel + Elektron(en) (Red) Reduktion (Ox) n e Jede Oxidation ist mit einer Reduktion gekoppelt und umgekehrt! korrespondierendes Redoxpaar Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 4

5 RedoxReaktionen und Elektrochemie korrespondierend Red 1 + Ox 2 Ox 1 + Red 2 korrespondierend SäureBaseAnalogie: Säure 1 + Base 2 Base 1 + Säure 2 Beispiele für korrespondierende Redoxpaare: Ag Ag + + e (Ag/Ag + ) Zn Zn e (Zn/Zn 2+ ) 2 Cl Cl e (Cl /Cl 2 ) Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 5

6 RedoxReaktionen und Elektrochemie Die elektrochemische Spannungsreihe Versuch 1.1: Qualitative Versuche zur Redoxchemie Kupferstab taucht in eine Fe 2+ Lösung CuStab FeNagel Eisennagel taucht in eine Cu 2+ Lösung Keine Reaktion! Fe 2+ SO 4 2 SO 4 2 Cu 2+ Eisennagel überzieht sich mit Kupfer! Cu 2+ Cu 2+ Cu Cu 2+ Cu 2+ Cu 2+ Cu 2+ Lösungsdruck < Fe 2+ Fe 2+ Fe Fe 2+ Fe 2+ Fe 2+ Fe 2+ Fe 2+ Fe 2+ Fe 2+ Fe 2+ Fe 2+ Fe 2+ Fe 2+ Fe 2+ Fe 2+ Fe 2+ Fe Fe e Cu + 2 e Cu Fe + Cu 2+ Fe 2+ + Cu Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 6

7 RedoxReaktionen und Elektrochemie Redoxeigenschaften von Permanganat Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo Permanganat als Oxidationsmittel Saures Medium: +VII +II MnO e + 8 H + Mn H 2 O Basisches Medium: +VII MnO e +IV + 2 H 2 O MnO OH

8 Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo RedoxReaktionen und Elektrochemie Versuch 1.2: Redoxreaktion von MnO 4 mit H 2 O 2 +VII +II MnO e + 8 H + Mn H 2 O 2 I 0 H 2 O 2 O e + 2 H MnO H H 2 O 2 2 Mn O H 2 O I I

9 RedoxReaktionen und Elektrochemie Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo Versuch 2: Redoxtitration: Bestimmung des Kaliumiodatgehaltes in iodiertem Speisesalz 1. Lösen des Speisesalzes und Zugabe von KI im Überschuss +V 0 2 IO e + 12 H + I H 2 O I 0 2 I I e 5 2 IO I + 12 H + 6 I H 2 O IO I + 6 H + 3 I H 2 O

10 Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 2. Titration des Iods gegen eine Na 2 S 2 O 3 Maßlösung Indikator: Stärke Blaue Lösung 0 I e I 2 2 S 2 O 3 2 S 4 O e I S 2 O 3 2 S 4 O I II O II II O S S O II + VI O O + S S O O S S I I S S O O O O Thiosulfat Tetrathionat O + 2 e

11 Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 2. Gesamtgleichung und Berechnung IO I + 6 H + 3 I H 2 O I S 2 O 2 3 S 4 O I 3 IO I + 6 H S 2 O I + 3 H 2 O + 3 S 4 O IO 3 = 6 S 2 O 3 2 1/6 IO 3 = 1 S 2 O S 2 O 3 2 entsprechen 1/6 Äquivalentteilchen IO 3 Gehaltsberechnung: 1 ml einer 0,005 molaren Na 2 S 2 O 3 Lösung = 0,178 mg KIO 3 Iodatgehalt in % = KIO 3 gefunden [mg] Einwaage Salz [mg] 100

12 RedoxReaktionen und Elektrochemie Versuch 3: Potenzialdifferenzen Halbzelle (element): Kupfer 2e Halbzelle e Cu 2+ Cu SO 2 4 Salzbrücke SO 4 2 e Zn 2+ 2e Zn Halbzelle Galvanische Zelle (hier: DaniellElement) Zink Eine Halbzelle setzt sich zusammen aus einer Metallelektrode (Metallstab, Metallblech o. ä.), die in ihre entsprechende Metallsalzlösung (Elektrolyt) taucht. Galvanische Zelle (Element): Kombination zweier Halbzellen, welche durch ein Diaphragma bzw. eine Salzbrücke und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Gleichspannungsquelle Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 12

13 RedoxReaktionen und Elektrochemie Versuch 3: Potenzialdifferenzen Die Standardwasserstoffelektkrode als Bezugselektrode Metallelektrode, welche gegen die Normalwasserstoffeletrode gemessen wird Salzbrücke H 2 Gas (1 atm Druck) Wässrige Lösung der Metallionen (Konz. = 1 mol/l) HCl (Konz. = 1 mo/l) Bezugselektrode: 2 H e H 2 Definition: E 0 H+/H2 = 0,00 V! Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 13

14 RedoxReaktionen und Elektrochemie Elektrochemische Spannungsreihe (Ausschnitt) Reduktionsmittel Oxidationsmittel + n e Standardpotential E 0 [V] 2 F F e + 2,87 PbSO H 2 O PbO 2 + H 2 SO H 3 O e + 1,69 Mn H 2 O MnO H 3 O e + 1,49 Au Au e + 1,42 2 Cl Cl e + 1,36 Ag Ag + + e + 0,80 Fe 2+ Fe 3+ + e + 0,77 2 I I 2 + e + 0,54 Cu Cu e + 0,35 H H 2 O 2 H 3 O e 0,00 Pb Pb e 0,13 Sn Sn e 0,14 Zn Zn e 0,75 Mg Mg e 2,38 Na Na + + e 2,71 Ca Ca e 2,76 Ba Ba e 2,90 K K + + e 2,92 Li Li + + e 3,02 Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 14

15 RedoxReaktionen und Elektrochemie Referenzelektrode (Bezugselektrode) Aufbau einer Silber/Silberchloridelektrode Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 15

16 Korrosion Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 16

17 Korrosion Korrosion (lat. corrodere, zernagen ): Unter Korrosion versteht man die Reaktion eines Werkstoffs (Metall) mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffs bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines Bauteils oder Systems führen kann. Bsp.: Lochfraßkorrosion: Es handelt sich um kleinflächige, aber tiefe Korrosionserscheinungen in Metallen. Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 17

18 Korrosionsschutz Schutzbeschichtung Opferanode Fremdstromanode Verringerung des Sauerstoffgehaltes Förderung der Passivschichtbildung Homogenisierung des Gefüges Optimierung der Oberfläche Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 18

19 RedoxReaktionen und Elektrochemie Alessandro Volta ( ): Erfinder der Batterie, der sog. Voltaischen Säule und Mitbegründer des Zeitalters der Elektrizität. Kupfer Zink H 2 H 2 H 2 H 3 O + Zn 2+ H 2 SO 4 Schema Voltasäule Historische Voltasäule Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 19

20 Korrosions Versuch 4.1: Das Voltaelement als Modell für ein Lokalelement Kontaktkorrosion: Es bildet sich durch Einschlüsse ein Lokalelement aus (= kurzgeschlossenes galvanisches Element). Modellbeispiel: Zn H 2 Zn H 2 H 2 Zn 2+ Zn e Cu H 3 O+ H 3 O+ H 3 O+ Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo 20

21 Anorganisch chemisches Praktikum für Human und Molekularbiologen Andreas Rammo Versuch 4.1: Das Wärmekissen auf Eisenbasis Luftkorrosion Rosten von Eisen: 3 Teilschritte 1. Oxidation von Eisen 0 0 +II Fe Fe e O e + H 2 O 2 OH II Fe + O 2 + H 2 O Fe(OH) 2 2. Autoxidation von Eisen(II) zu Eisen(III) 0 +II Fe(OH) 2 + OH Fe(OH) 3 + e 2 +III O e + H 2 O 2 OH Fe(OH) 2 + O 2 + H 2 O 2 Fe(OH) 3 3. Alterung von Eisen(III)oxid Fe(OH) 3 Fe 2 O 3 aq.(= Rost ) II Als Rost bezeichnet man das Korrosionsprodukt, das aus Eisen durch Oxidation mit Sauerstoff in Gegenwart von Wasser entsteht.

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