(Graphit) Cl - Abgabe von Elektronen: Oxidation Anode Diaphragma H + Elektrolyse Wird in einer elektrochemischen Zelle eine nicht-spontane Reaktion durch eine äußere Stromquelle erzwungen Elektrolyse-Zelle Zelle.. Bei der Elektrolyse handelt es sich im Prinzip um eine Umkehrung der in einer galvanischen Zelle Z freiwillig ablaufenden Redox-Reaktion Reaktion. Beispiel: Elektrolyse einer wässerigen NaCl Lösung zur Herstellung von NaOH. Äußere Stromquelle (z.b. Batterie) zwingt Elektronen in Kathode und zieht Elektronen von Anode ab. Cl 2 H 2 Na + OH - Anreicherung 2 Cl - Cl 2 + 2e - 2 H + + 2e - H 2 (Eisen (Fe)) Aufnahme von Elektronen: Reduktion Kathode Verfügbare Ionen: H 2 O H + + OH - NaCl Na + + Cl - Befinden sich in einer Lösung L mehrere entladbare Ionensorten,, so hängt h die Reihenfolge der Entladung von der Größ öße der verschiedenen Einzelpotentiale ab. Führt man in die Lösung L zwei Platin- elektroden ein und legt an die Elektroden eine steigende Spannung an, so wird der Elektronenstrom zu fließen en beginnen (siehe nächste n Seite) sobald die Einzel- potentiale von Wasserstoff und Chlor überschritten werden. Die Natrium- und Hydroxidionen bleiben unentladen als NaOH (Natronlauge) zurück. 151
Zur Sequenz der Abscheidung bei der Elektrolyse einer wässerigen NaCl-Lösung - 2.7 V Die Einzelpotentiale in 1mol NaCl Lösung: Bei Anlegen einer Spannung werden diese Substanzen zuerst abgeschieden. - 0.4 V +1.4 V > +1.4 V 152
Elektrolyse von geschmolzenem Natriumchlorid (NaCl( NaCl) Für die Herstellung von Natrium wird geschmolzenes NaCl elektrolysiert.. Durch Zugabe von CaCl 2 kann der Schmelzpunkt von NaCl von 804 C auf etwa 600 C herabgesetzt werden. (Graphit) Kathode Anode (Fe) 153
Einige einfache Begriffe und Grundgesetze der Elektrochemie Wichtige Begriffe zur Elektrochemie stammen von Michael Faraday (1791-1867). 1867). Anode: Elektrode, die Elektronen aus der Lösung aufnimmt. Kathode: Elektrode, die Elektronen an die Lösung abgibt. Basiseinheit: elektrische Stromstärke I (Einheit: Ampere (A)) Abgeleitete Einheit: Elektrizitätsmenge Q (Einheit: Coulomb (C)) Q = I t (Zeit in s) 1C = 1A 1s Ohm sches Gesetz: I = U/R I (Stromstärke, rke, A), U (Spannung, Volt (V)), R (el. Widerstand, Ohm (Ω))( 1/R = L = q/ρ l l = λ q/l L (el. Leitfähigkeit, Ω -1 bzw. Siemens (S)), λ (spez. Leitfähigkeit, Ω -1 cm -1 ) ρ (spez. Widerstand, Ωcm), l (Elektrodenabstand), q (Leiterquerschnitt bzw. Elektrodenoberfläche) Spez. Leitfähigkeit von Metallen: 10 6 Ω -1 cm -1 Spez. Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen (z.b. 0.1 mol/l KCl-Lösung sung): 10 2 Ω -1 cm Wieso großer Unterschied?? cm -1 154
Abgeschiedene Menge einer Substanz an einer Elektrode Oft werden elektrolytische Prozesse zur Gewinnung von Reinsubstanzen nzen (z.b. Na, Al) eingesetzt. Dabei ist es natürlich wichtig zu wissen, wie viel Stoffmasse S m in einem bestimmten Zeitintervall t bei einer bestimmten Stromstärke I an einer Elektrode abgeschieden wird. Die Gesetze dazu hat Faraday hergeleitet. Die zeitlich abgeschiedene Stoffmasse m ist der geflossenen Strommenge Q (I t)( proportional: m = k I t k = Konstante Ladungsmenge von 1 Mol Elektronen = e 0 N A (e 0 = Elementarladung des Elektrons) = 1.6022 10 10-19 As 6.022 10 23 mol -1 1 Faraday 1 F = 96484 Asmol - 1 (Cmol - 1 ) Wenn 1 Mol Elektronen fließt, so wird bei einer Molmasse M des Stoffes die Masse M/ z an der Elektrode abgeschieden (z = Ladung des Ions). I t/f entspricht der Zahl der Mole Elektronen I t M m = z F 155
Gasförmig/Flüssig/Fest Im Folgenden wollen wir uns mit einigen Gesetzmäßigkeiten von Gasen beschäftigen. 156
Die 3 Aggregatzustände Gase unterscheiden sich signifikant von Feststoffen und Flüssigkeiten (siehe unten). Gase sind im Gegensatz zu den beiden anderen Aggregatzuständen leicht komprimierbar. Gase bilden untereinander homogene Mischungen (unabhängig von deren chemischer c Zusammen- setzung). 157
Wichtige Eigenschaften von Gasen Die am einfachsten zu charakterisierenden Eigenschaften eines Gases sind dessen Temperatur, Volumen und Druck. Daher haben sich die meisten frühen Untersuchungen an Gasen mit den Beziehungen dieser Eigenschaften zueinander befasst. Druck: p = p = Druck, A = Fläche, F = Kraft Ermittlung des Atmosphärendruckes: F = m a (m: Masse, a: Beschleunigung) Erdanziehung führt zu einer Erdbeschleunigung von a = 9.8m/s 2 Die Masse einer Säule Luft von 1 m 2, die sich bis in die Atmosphäre erstreckt, ist etwa 10,000 kg. F 10,000 kg 9.8 m/s 2 1 10 5 kg m/s 2 1 1010 5 N p = F A 1 10 = 1m 1 bar = 10 5 Pa 5 2 F A N = 1 10 5 N / m 2 = 1 10 5 Pa = 1 10 2 kpa 158
Versuche zum Atmosphärendruck E. Torricelli (ein Schüler Galileos) erfand das Barometer. Die Höhe der Quecksilbersäule ist ein Maß für den Atmosphärendruck. B. Pascal verwendete dieses Barometer am Fuß und auf der Spitze des Puy de Dome und fand umso kleinere Säulenhöhen je höher er den Berg anstieg. Der Standard Atmosphärendruck ( Meeresniveau) 1 atm = 760 mm Hg = 760 Torr = 1.01325 10 5 Pa 159
Die Gasgesetze Die Beziehung zwischen Druck und Volumen (Gesetz von R. Boyle): Boyle fand, dass eine Verdopplung des Druckes zu einer Halbierung des Gasvolumens führt. V = konst. 1/p oder pv = const. const.. hängt h von T und Gasmenge ab. Mit jedem Atemzug vollziehen wird die von Boyle gefundenen Gesetzmäßigkeiten. 160