Jakob Schumann

Elektrochemie / Daniell-Element

Elektrochemie

Elektrolyte sind Stoffe, die den Ladungstransport ermöglichen (frei bewegliche Ladungsträger sind vorhanden)

Echte Elektrolyte: Salzlösungen, Salzschmelzen (NaCL · Na⁺ + CL^-

Potentielle Elektrolyte: Stoffe mit polarer Atombindung (Ionen etstehen durch Lösungsmittelzugabe) (NH₃ +H₂O · NH₄⁺ + OH^-

Elektrode / Elektrodenpotential

Elektrodenreaktion

Me · Meⁿ⁺ + n e^-

Elektrodensymbol: Me/Meⁿ⁺

Eine Elektrode ist eine Kombination eines elektronenleitenden Stoffes mit einer Elektrolytlösung

Vorgänge an der Phasengrenze:

• Metallionen aus dem Stab gehen in Lösung · negative Ladung des Stabes (Elektronen bleiben zurück), positive Ladung der Lösung
• Aufbau eines elektrischen Feldes, die Spannung entspricht dem Elektrodenpotential
• Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht
  

Abhängigkeit des Elektrodenpotentials

• von Konzentration der Salzlösung: je größer C, desto geringer U, da geringerer Ionenaustausch
• vom Metall: je unedler das Metall, desto eher geht es in Lösung, U ist höher

Elektrochemische Spannungsreihe

Nernstsche Gleichung

E = E^_ + (0,059V/2) * lg(C_OM/C_RM)

0,059= R*T/F * 2.3 E
^q
...Standardelektrodenpotential

R...universelle Gaskonstante

T...298K
F...Faradaykonstante
2.3...Umrechnungskonstante ln·lg
C_RM...bei Feststoffen definiert 1mol/l

Beispiel

Geg.: Cu/Cu²⁺-Elektrode

C_Cu2+=0,01mol/l
E
^q
=0.35V

Ges.: E in V

Cu
à
Cu2+ + 2 e-

E=E
^q
+ (0,059V/2) + lg0.01
E=0,291V

Elektrochemische Reaktionen

• laufen an der Phasengrenzfläche zwischen Metall und Elektrolytlösung ab
• elektrochemische Fällung

• je edler das Metall, desto höher sein Standardelektrodenpotential
   
• E
  ^q
  < 0> unedles Metall
   
• E
  ^q
  > 0> edles Metall
   
• Metall geht in Lösung, wenn sein Standardpotential geringer als das des Metalls in Lösung ist

Reaktion von unedlen Metallen mit verdünnter Säure

Beispiel:

Zn + 2H₃O⁺ + 2Cl^- · Zn²⁺ + 2Cl^- + H₂ + 2H₂O

1.Redoxpaar (Oxidation / e^- Abgabe)

Zn > Zn²⁺ +2e^- E
^q
= -0,76V

2. Redoxpaar (Reduktion / e^- Aufnahme)

2H₃O + 2e^-> H₂ + 2H₂O E
^q
= 0,0V

• unedles Metall geht aufgrund seines negativeren Potentials in Lösung
• unedle Metalle reagieren mit verdünnten Säuren, Edelmetalle nicht

Galvanische Elemente

• Ein galvanisches Element ist eine Kombination von 2 Me/Meⁿ⁺-Elektroden (Halbzelle)

Primärelement

Umwandlung von chemischer in elektrische Energie, solange bis RM oder OM aufgebraucht sind

Beispiel: Daniell-Element, Zink-Kohle-Batterien

Sekundärelement (Akkumulator)

Durch Zufuhr elektrischer Energie sind diese Elemente wieder in den Ausgangszustand rückführbar

Beispiel: Bleiakkumulator

Daniell-Element

Daniell, John Frederick, englischer Physiker 1790-1845, Grundlegende Versuche über die Elektrolyse, Erfinder des Daniell-Elementes (galvanisches Element)

Daniell-Element: ein durch eine poröse Wand separierter Behälter mit einer Zink- und einer Kupferelektrode, die in wäßrigem Zinksulfat bzw. Kupfersulfat tauchen 1936)

Zn/Zn²⁺//Cu²⁺/Cu - links Donatorhalbzelle, rechts Akzeptorhalbzelle

• wenn Elektroden verbunden werden fließen Elektronen von der Zink- zur Kupferhalbzelle
• Zinkelektrode=Minuspol

Zellreaktion

• Zinkionen gehen in Lösung
• Wird oxidiert
• In der Kupferhalbzelle werden gleich viele Ionen reduziert und an der Elektrode abgeschieden
• Anode: positive Ladungsträger gehen in Lösung
• Kathode: positive Ladungsträger gehen von der Lösung ins Metall
• Zn=Anode, Cu=Kathode

Reaktionsablauf:
Elektronen werden von Zn-Elektrode ins Kupfer transportiert

• Zur Aufrechterhaltung des Stromflusses muß Ladungsausgleich zwischen Salzlösungen möglich sein
  (realisiert z.B. durch Diaphragma oder Stromschlüssel)
• Elektronenfluß wird durch Spannung hervorgerufen (Potentialdifferenz)
• Potential ist Maß für Stärke des elektrischen Feldes an einem Ort
• Zwischen Orten mit unterschiedlichem Potential besteht Spannung
• Spannung ist Maß für Potentialdifferenz
• In der galvanischen Zelle haben beide Elektroden unterschiedliche Potentiale
• Potentialdifferenz: In einer Halbzelle treten durch die Phasengrenze ständig Metallionen in beide Richtungen hindurch. Überwiegt die Abgabe von Metallionen aus der festen in die flüssige Phase, lädt sich die feste Phase negativ auf, bei Ionenaufnahme aus flüssiger Pjase positiv.
• Elektrische Aufladung der Phasen wirkt einem weiteren einseitigen Übergang entgegen · Ausbildung des elektrochemischen Gleichgewichtes
• Nach Einstellung des GG besitzen Halbzellen unterschiedliche Potentiale · Differenz

Zinkelektrode (Oxidation)

Zn · Zn²⁺ + e- U = -0,76V

Kupferelektrode (Reduktion)

Cu²⁺ · Cu U = +0,35V

Zellspannung

U= U_A - U_B U_A = Akzeptorspannung

U_B = Donatorspannung

U = 1,1 V