Was ist Elektrochemie? Elektrochemie. Elektrochemie ist die Lehre von der Beziehung

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1 Was ist Elektrochemie? Elektrochemie Elektrochemie ist die Lehre von der Beziehung zwischen elektrischen und chemischen Prozessen. 131

2 Stromleitung in einem Metall Wir haben gelernt, dass die Stromleitung in einem Metall von den frei beweglichen Elektronen zwischen den Metallatom- rümpfen übernommen wird. Wie erfolgt die Stromleitung in Ionen- lösungen und welche Gesetzmäßigkeiten bestehen im Hinblick auf chemische Reaktionen die in diesen Lösungen ablaufen? 132

3 Elektrolyt Nichtelektrolyt NaCl in Wasser Enthält neben Na + und Cl - Ionen auch H + und OH - Ionen diese Lösung ist elektrisch leitfähig. Eine Substanz, deren (wässerige) Lösung Ionen enthält, wird als Elektrolyt bezeichnet. CH 3 OH in Wasser Enthält keine Ionen daher kann diese LösungL elektrischen Strom nicht leiten. Eine Substanz, deren (wässerige) Lösung keine Ionen enthält, wird als Nichtelektrolyt bezeichnet. 133

4 Nichtelektrolyt Schwacher Elektrolyt Starker Elektrolyt Die Leitung des elektrischen Stromes hängt von der Zahl der verfügbaren geladenen Teilchen (Ionen) ab. In der Lösung erfolgt die Stromleitung durch h die Ionen, in den Leitungen erfolgt die Stromleitung durch Elektronen. Die Stromrichtung ist dabei die der Bewegungsrichtung der Elektronen entgegen gesetzte Richtung. z.b. Methanol Elektroden zu externer Stromquelle z.b. Wasser z.b. NaCl-Lösung 134

5 Das Konzept von Reduktions-/Oxidations Oxidations(Redox) (Redox)reaktionen im Rahmen elektrochemischer Vorgänge Zn(s) ) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) Diese Reaktion läuft spontan ab. Die Energie spontaner Reaktionen, bei denen Elektronen verschoben werden, kann für elektrische Arbeit genutzt werden. Dafür nutzt man galvanische Zellen.. Dabei findet die Verschiebung der Elektronen nicht - wie nebenstehend - zwischen den Reaktanten sondern auf einem ex- ternen Weg statt. Dazu wird die Reaktion in die Halbreaktionen Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - Cu 2+ (aq) + 2e - Cu(s) getrennt, sodass die Reaktanten nicht mehr in Kontakt sind. Die Abgabe von Elektronen wird dabei als Oxidation und die Aufnahme von Elektronen als Reduktion bezeichnet. 135

6 Redox-Reaktionen Reaktionen Der Verlust von Elektronen wird Oxidation genannt. Die Aufnahme von Elektronen heißt Reduktion. Oxidation und Reduktion sind allerdings nicht auf Elektrodenreaktionen tionen beschränkt. Wir haben bereits eine so genannte Redoxreaktion kennengelernt: 2Mg(s) + O 2 (g) 2 MgO(s) Der Elektronendonor ist das Reduktionsmittel und der Elektronenakzeptor ist das Oxidationsmittel. Ein anderes Beispiel ist die Reaktion eines Metalloxids mit Wasserstoff: CuO(s) ) + H 2 (g) Cu(s) ) + H 2 O(g) Eine typische elektrochemische Reaktion einer galvanischen Zelle mit reiner Elektronenübertragung ist die Reaktion Zn(s) ) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) 136

7 Das Prinzip einer galvanischen Zelle Das Verständnis vieler elektrochemischer Phänomene beruht auf den n Vorarbeiten von L. Galvani ( ) 1787) und A. Volta ( ). 1827). Anode Kathode Die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet nennt man Anode. Die Elektrode an der die Reduktion stattfindet nennt man Kathode. In einer galvanischen Zellen fließen die Elektronen von der Anode über eine externe Leitung zur Kathode. Wegen der Trennung der beiden Halbzellen ist eine Vorrichtung (Salzbrücke)) zur Erhaltung der elektrischen Neutralität erforder- lich.. Die Ionen des darin enthalten- en Elektrolyten reagieren nicht mit den Reaktanten. Kathode hat höheres Potential (+) weil zur Reduktion von Cu 2+ Elektronen aus der Kathode 137 abgezogen werden.

8 Die elektromotorische Kraft (EMK) Die elektromotorische Kraft (EMK) Wieso werden Elektronen spontan vom Zn-Atom auf das Cu 2+ -Ion übertragen? Nach einer simplen Vorstellung kann man sich diesen Elektronenfluss wie einen Wasserfall vorstellen. Wasser fließt spontan über den Wasserfall,, weil ein Unter- schied in der potentiellen Energie zwischen dem Wasser oben und unten besteht. + Anode Kathode Elektronenfluss Zn(s) ) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) Die Differenz in der potentiellen Energie pro elektrischer Ladung (die sog. Potentialdifferenz) wird in Volt gemessen. 1 V = 1 J/C Die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden einer galvanischen Zelle stellt eine treibende Kraft - die elektromotorische Kraft (EMK) - dar, die die Elektronen durch den äußeren Stromkreis zwingt. Die EMK einer Zelle (E( cell ) wird auch das Zellen- potential genannt. Wird das Zellenpotential (in V) bei 25 C und für 1 molare Konzentrationen oder 1 atm gemessen, dann wird diese EMK die Standard-EMK (E 0 cell ) genannt. E 0 cell = V 138

9 Die Standard Reduktions-Halbzellenpotentiale Die EMK einer galvanischen Zelle hängt jeweils von den Halbzellenpotentialen ab. Zur Vereinfachung wird jeder Halbzelle ein Standard Reduktions-Halbzellenpotential E 0 red zugeordnet und das Zellenpotential einer beliebigen Zelle nach der Gleichung E 0 cell = E 0 red (Kathode) E 0 red (Anode) berechnet. 139

10 Die Standard-Wasserstoffelektrode Die Standard Reduktions-Halbzellenpotentiale können bestimmt werden, wenn wir einer bestimmten Halbzellenreaktion den Referenzwert E 0 red = 0 V zuordnen und die E 0 red der Halbzellen relativ zu diesem Referenzwert bestimmen. Als Referenz-Halbzellenreaktion wird 2H + (aq,, 1mol) + 2 e - H 2 (g, 1atm) E 0 red = 0 V festgelegt. Diese Standard-Wasserstoffelektrode besteht aus einem Platin-Draht, der mit einer Platinfolie, die mit fein verteiltem Platin überzogen ist, verbunden und in einer e Glasröhre verkapselt ist. Dadurch kann H 2 unter 1 atm an Elektrode entweichen. Die Lösung ist 1-molar 1 bezüglich H