Elektrochemie B Lukas Woolley Rafael Adamek Peter Krack ETH Zürich 24 Februar 2017
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Garfield
Elektrolysezelle + - e e Anode Kathode e Cu CuSO 4 Cu 2+ Cu 2+ e
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Zelltypen lassen sich in zwei Zelltypen unterteilen: Galvanische Zelle: Strom wird durch chemisch verschiedene Elektroden erzeugt. Elektrolysezelle: Durch Anlegen einer Spannung werden Stoffe gewonnen.
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Aufbau e e Salzbrücke Zn ZnSO 4 -Lösung Cu CuSO 4 -Lösung Figure: Schematischer Aufbau einer galvanischen Zelle. Die Elektronen fliessen von der Anode zur Kathode. Das Kupfer wird reduziert und das Zink wird oxidiert.
Funktion der Galvanischen Zelle Es läuft spontan eine Redox-Reaktion ab. Die freiwerdende Enegrie kann direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden. In einer Galvanischen Zelle geschieht dies durch die räumliche Trennung der Reaktionspartner. Für die Zelle aus Abbildung 1 lautet der Redox-Prozess: Die Halbzellenreaktionen lauten für die Anode und Zn(s) + Cu 2+ Zn 2+ + Cu(s) (1) Zn(s) Zn 2+ + 2e (2) Cu 2+ + 2e Cu(s) (3) für die Kathode.
Zelldiagramm Die gesammte elektrochemische Zelle kann mit einem Zelldiagramm beschrieben werden Zn(s) Zn 2+ (aq).cu 2+ (aq) Cu(s) (4) wobei eine Phasengrenze beschreibt und. die Salzbrücke. Wichtig: Der spontane Prozess liest sich von links nach rechts.
Die Elektromotorische Kraft Die Elektromotorische Kraft (EMK) veranlasst die Elektronen sich von einer Elektrode zur anderen zu bewegen. Die EMK einer galvanischen Zelle ist eine Spannung und wird auch Zellspannung E Zelle genannt. Die EMK kann über die Differenz der Halbzellenpotentiale berechnet werden: E = E Kathode E Anode (5) Für jede Halbzelle lassen sich die Halbzellenpotentiale über die Nernst-Gleichung berechnen: E = E 0 + RT z F ln( a(me 2+ ) ) (6) wobei a(me 2+ ) die Aktivität der Metallionen in der Lösung ist.
Standard Halbzellenpotentiale Halbzellenpotentiale können nicht einzeln gemessen werden. Daher wurde der Standard-Wasserstoffelektrode das Reduktionspotential von 0 V zugeordnet. 2H + (aq) + 2e H 2 (g) ERed 0 = 0.0 V (7) Standard-Reduktionspotentiale gängiger Redox-Paare finden sich in der Elektrochemischen Spannungsreihe.
Spontane Reaktion? Die Potentialdifferenz E Zelle hängt direkt mit der Änderung der Freien Enthalpie G zusammen. G = zfe Zelle (8) wobei z die Anzahl Elektronen in mol ist die übertragen wird und F die Faradaykonstante. Beachte: Bei einer spontanen Reaktion ist G immer negativ und E Zelle immer positiv.
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Aufbau + - e e Anode Kathode e Cu CuSO 4 Cu 2+ Cu 2+ e Figure: Schematischer Aufbau einer Elektrolysezelle. Die Kathode wird langsam mit Kupfer aus der Lösung überzogen. Die Kupferanode löst sich langsam.
Funktionsweise Zwei Elektroden befinden sich in einer Elektrolytenlösung. Die Elektroden werden an eine Gleichstromquelle angeschlossen: Die Kathode an den Minuspol Die Anode an den Pluspol Sofern die Anode nicht aus einem inerten Material besteht wird Material ebendieser in Lösung gehen, währen an der Kathode gegebenenfalls Material abgeschieden wird.
Anwendungen der Elektrolyse Gewinnung von Alkalimetallen und den meisten Erdalkalimetallen erfolgt durch Schmelzflusselektrolyse. Gewinnung von Halogenen durch Elektrolyse in wässrigen Medien. In der Analytischen Chemie bei der Polarographie. Erzeugen von metallischen Überzügen.
Kupfer für Garfield Damit die Garfield-Wachsfigur mit Kupfer überzogen werden kann, muss diese elektrischen Strom leiten können und als Kathode angeschlossen werden gepaart mit einer Kupferanode. Um Wachsgarfield leitfähig zu machen, wird dieser mit einem Silberlack überzogen. Eine Kupfersulfatlösung dient als Elektrolyt. An der Anode findet nun die Reaktion statt und an der Kathode Cu(s) Cu 2+ + 2e (9) Cu 2+ + 2e Cu(s) (10)
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Erstes Gesetz Zweites Gesetz m I t (11) m 1 : m 2 = M 1 z 1 : M 2 z 2 (12)
Daraus ergibt sich: m = M I t z F (13)
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Unsere weight loss / [g] 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Figure: Gewichtsverlust der Kupferanode in Abhängigkeit von der Zeit. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 time / [s]
Unsere Die von uns ausgerechnete Faradaykonstante F = 962421(57) C mol -1 (14) F Literaturwert = 96485 C mol -1 (15)
Unsere Zusammenhang Faradaykonstante und Avogadrozahl (16) F e = N A N A Literaturwert = 6.022 10-23 mol -1 (17) Unser Resultat N A Literaturwert = 6.0181(36) 10-23 mol -1 (18)