6.1 Elektrodenpotenzial und elektromotorische Kraft

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1 6.1 Elektrodenpotenzial und elektromotorische Kraft Zinkstab Kupferstab Cu 2+ Lösung Cu 2+ Lösung Zn + 2e Cu Cu e Cu 2+ Eine Elektrode ist ein metallisch leitender Gegenstand, der zur Zu oder Ableitung von elektrischem Strom in einem Elektrolyten eingetaucht ist. Die Geichgewichtslage zwischen Metallstab und Lösung sung, also das Elektrodenpotenzial E, ist abhängig von der Konzentration M n+ in Lösung und der Temperatur. Zink ist gegenüber Kupfer leichter oxidierbar (unedler) mehr als Cu 2+ Ionen gehen in Lösung, zugehörige Valenzlektronen verbleiben im Metallstab unterschiedliche Elektrodenpotenziale (quantitatives Maß für Elektronendruck im Metallstab), absoluter Wert nicht messbar

2 Elektromotorische Kraft (EMK) Werden beide Elektroden (Halbzellen) über einen Draht elektrisch leitend miteinander verbunden und durch eine poröse Wand getrennt, die eine Vermischung der Lösungen verhindert, aber den Durchtritt von Ionen gestattet, entsteht eine galvanische Zelle. Daniell Element als galvanische Zelle e U e Anode E 0 = 1,10 V + Zn Cu Kathode Oxidation Cu 2+ Reduktion SO 4 2 SO 4 2 Lösung Cu 2+ Lösung Poröse Trennwand Zn + 2e Cu e Cu

3 Bei einer ReduktionsOxidationsReaktion bzw. Redoxreaktion laufen Oxidation und Reduktion stets gleichzeitig ab. Oxidation ist ein Prozess, bei dem einem Atom Elektronen entzogen werden. Bei einer Reduktion werden einem Atom Elektronen zugeführt. Die Substanz, die dem Reaktionspartner die Elektonen entzieht und damit dessen Oxidation bewirkt heißt Oxidationsmittel (OM). Es wird selbst reduziert. Umgekehrt wirkt eine Substanz, die dem Reaktionspartner Elektronen zur Verfügung stellt als Reduktionsmittel (RM). Es wird selbst oxidiert.

4 Das elektrische Potenzial einer galvanischen Zelle nennt man die elektromotorische Kraft E (Zellspannung). Sie resultiert aus den Elektrodenpotenzialen der Halbzellen. Die StandardEMK E 0 (StandardZellspannung) bezieht sich auf eine Zelle, in der alle Reaktanden und Produkte in ihren Standardzuständen vorliegen: T = 25 C reines Metall c(ionen) = 1 mol/l in reinem Wasser

5 Berechnung der Zellspannung E 0 E 0 = E 0 (Kathode) E 0 (Anode) = E 0 (edlere Elektrode) E 0 (unedlere Elektrode) E 0 = Zellspannung (V) E 0 = Standardelektrodenpotenzial (V) Daniell Element Anode: Zn(s) + 2 e E 0 = 0,76 V Kathode: 2 e + Cu 2+ Cu(s) E 0 = + 0,34 V Gesamt: Zn(s) + Cu 2+ Cu(s) + E 0 = E 0 (Cu Cu 2+ ) E 0 (Zn ) E 0 = 0,34 V ( 0,76 V) = 1,10 V

6 Standardelektrodenpotenzial Das Potenzial der reinen Metalle, die bei 25 C und 101,3 kpa in die Lösungen der entsprechenden Metallionen der Konzentration c = 1 mol/l tauchen, relativ zur StandardWasserstoffelektrode, heißt Standardelektrodenpotenzial. E 0 = 0,76 V Festlegung E 0 (H 2 H + ) = 0,00 V e U e H 2 Anode Zn Cl K + Salzbrücke Pt + SO 4 2 Oxidation Lösung Cl H + Reduktion 1 mol/l HClLösung Kathode Zn + 2e 2 H e H 2 Zn (1 mol/l) H + (1 mol/l) H 2 Pt

7 E 0 (H 2 H + ) = 0,00 V E 0 = 0,34 V H 2 e U e Cl K + + Pt Salzbrücke Cu Anode SO 4 2 Kathode H + Oxidation Cu 2+ Reduktion 1 mol/l HClLösung Cu 2+ Lösung H 2 2 H + + 2e Cu e Cu Pt H 2 H + (1 mol/l) Cu 2+ (1 mol/l) Cu Pt Pt Pt H H H + H H H +

8 Berechnung der Standardelektrodenpotenziale E 0 = E 0 (Kathode) E 0 (Anode) E 0 = E 0 (H 2 H + ) E 0 (Zn ) = 0,76 V E 0 ( Zn) = 0,76 V Vorzeichen negativ: Minuspol (Anode) Oxidation (Zn ) freiwillig E 0 = E 0 (Cu Cu 2+ ) E 0 (H 2 H + ) = 0,34 V E 0 (Cu Cu 2+ ) = + 0,34 V Vorzeichen positiv: Pluspol (Kathode) Reduktion (Cu 2+ Cu) freiwillig

9 Die elektrochemische Spannungsreihe Die Anordnung der Standardelektrodenpotenziale nach zunehmend positiven Werten wird als elektrochemische Spannungsreihe bezeichnet. Nur dann, wenn die elektromotorische Kraft E 0 der Gesamtreaktion positiv ist, kommt es zur Reaktion. Daraus folgt, das Normalpotenzial des Oxidationsmittels (OM) ist positiver als das des Reduktionsmittels (RM).

10 Die elektrochemische Spannungsreihe (E 0 bei 25 C) Oxidierte Form + z e Reduzierte Form E 0 / V Li + + e Li 3,045 K + + e K 2,866 Ca e Ca 2,866 Na + + e Na 2,714 Mg e Mg 2,363 Al e Al 1, e Zn 0,763 Fe e Fe 0,440 Ni e Ni 0,250 Sn e Sn 0,136 Pb e Pb 0,126 2 H e H 2 0 Cu e Cu + 0,337 I e 2 I + 0,536 Fe 3+ + e Fe ,771 Ag + + e Ag + 0,799 NO H e NO + 2 H 2 O + 0,96 Br e 2 Br + 1,065 2 Cr 2 O H e 2 Cr H 2 O + 1,33 Cl e 2 Cl + 1,360 Au e Au + 1,498 MnO H e Mn H 2 O + 1,51 F e 2 F + 2,87

11 Elektromotorische Kraft (Zellspannung) beliebiger galvanischer Zellen E 0 /V 0,76 E 0 (Zn ) 1,56 1,10 0,25 E 0 (Ni Ni 2+ ) 0,0 1,05 0,59 E 0 (H 2 H + ) +0,34 E 0 (Cu Cu 2+ ) 0,46 +0,80 E 0 (Ag Ag + ) E 0 (Zn Ag + Ag) = 1,56 V E 0 (Zn Cu 2+ Cu) = 1,10 V E 0 (Ni Ni 2+ Ag + Ag) = 1,05 V E 0 (Ni Ni 2+ Cu 2+ Cu) = 0,59 V E 0 (Cu Cu 2+ Ag + Ag) = 0,46 V