Elektrochemie

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Die Elektrochemie befasst sich mit allen Vorgängen in der Chemie bei denen Strom erzeugt oder verwendet wird.

Elektrochemische Prozesse

• Batterien
• Akkumulatoren
• Galvanik
• Elektrolyse
• Korrosion
• Brennstoffzelle

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Inhaltsverzeichnis 1 Elektrische Leitung und Elektrolyte 2 Das Daniell-Element 3 Elektrochemische Spannungsreihe 4 Edelheit 5 Halbzellen

[Bearbeiten] Elektrische Leitung und Elektrolyte

Elektrische Energie kann nur dann übertragen werden wenn Ladungsüberträger (Elektrolyte) zur Verfügung stehen

[Bearbeiten] Das Daniell-Element

Das Daniell-Element war die erste brauchbare Spannungsquelle der Welt. (Batterie des 19. Jahrhunderts). Es besteht aus 2 Halbelementen:
() und () Beide sind mit einem sogenannten Stromschlüssel verbunden. Dieser Stromschlüssel ist durchlässig für Ionen, verhindert aber gleichzeitig eine Vermischung der beiden Lösungen.

In der Elektrochemie werden grundsätzlich 3 Reaktionsgleichungen angegeben 2 Halbgleichungen für den jeweiligen Pol und eine Gesamtgleichung die beide Halbgleichungen vereint. In diesem Fall:

1. MinusPol
2. PlusPol
3. Gesamtgleichung Natürlich werden meistens die Elektronen gekürzt und man sieht nur folgende Gleichung

In Worten: Am Minus-Pol des Daniell-Elements spaltet sich in und . Die Zinkelektrode wird verbraucht und löst sich irgendwann auf. Das Gegenteil geschieht auf der anderen Seite. Die Kupferelektrode wird immer dicker und dicker da sich hier die gelösten Ionen mit den vom Zink abgespalteten Elektronen wieder zu elementaren Kupfer vereinigen.

Als Elektrolyt fungiert beim Daniell-Element der Stromschlüssel mit der KCl-Lösung.

[Bearbeiten] Elektrochemische Spannungsreihe

Die Elektrochemische Spannungsreihe ist eine Liste von Redoxpaaren sortiert nach ihrem Standardpotential. Ein Redoxpaar besteht immer aus der oxidierten Form und der reduzierten Form eines Elements. z.b. Cu/Cu²⁺ andere Schreibweise (Cu²⁺ + 2e^- <--> Cu)

Edle Redoxpaar haben positive Standardpotentiale. Unedle Redoxpaare haben negative Standardpotentiale. (Standardpotentiale werden manchmal auch Normalpotentiale genannt.)

Element	oxidierte Form	Elektronen	reduzierte Form (Ion)	Standardpotential in Volt
Fluor (F)	F2	+ 2e-	↔ 2 F-	+2,87 V
Sauerstoff	H2O2 + 2 H3O+	+ 2e-	↔ 4 H2O	+1,78 V
Gold (Au)	Au+	+ e-	↔ Au	+1,69 V
Gold (Au)	Au3+	+ 3e-	↔ Au	+1,50 V
Gold (Au)	Au3+	+ 2e-	↔ Au+	+1,40 V
Chlor (Cl)	Cl2	+ 2e-	↔ 2Cl-	+1,36 V
Brom (Br)	Br2	+ 2e-	↔ 2Br-	+1,07 V
Platin (Pt)	Pt2+	+ 2e-	↔ Pt	+1,12 V
Silber (Ag)	Ag+	+ e-	↔ Ag	+0,80 V
Eisen (Fe)	Fe3+	+ e-	↔ Fe2+	+0,77 V
Iod (I)	I2	+ 2e-	↔ 2I-	+0,53 V
Kupfer (Cu)	Cu+	+ e-	↔ Cu	+0,52 V
Schwefel (S)	S	+ 2e-	↔ S2-	+0,51 V
Hexacyanoferrat	[Fe(CN)6]3-	+ e-	↔ [Fe(CN)6]4-	+0.46 V
Kupfer (Cu)	Cu2+	+ 2e-	↔ Cu	+0,34 V
Kupfer (Cu)	Cu2+	+ e-	↔ Cu+	+0,16 V
Wasserstoff (H2)	2H+	+ 2e-	↔ H2	0 V
Blei (Pb)	Pb2+	+ 2e-	↔ Pb	-0,13 V
Zinn (Sn)	Sn4+	+ 2e-	↔ Sn2+	-0,15 V
Nickel (Ni)	Ni2+	+ 2e-	↔ Ni	-0,23 V
Cadmium (Cd)	Cd2+	+ 2e-	↔ Cd	-0,40 V
Eisen (Fe)	Fe2+	+ 2e-	↔ Fe	-0,45 V
Nickel (Ni)	NiO2 + 2 H2O	+ 2e-	↔ Ni(OH)2 + 2 OH-	-0,49 V
Zink (Zn)	Zn2+	+ 2e-	↔ Zn	-0,76 V
Wasserstoff	2 H2O	+ 2e-	↔ H2 + 2 OH-	-0,83 V
Chrom (Cr)	Cr2+	+ 2e-	↔ Cr	-0,91 V
Niob (Nb)	Nb3+	+ 3e-	↔ Nb	-1,099 V
Vanadium (V)	V2+	+ 2e-	↔ V	-1,175 V
Mangan (Mn)	Mn2+	+ 2e-	↔ Mn	-1,19 V
Aluminium (Al)	Al3+	+ 3e-	↔ Al	-1,66 V
Titan (Ti)	Ti2+	+ 2e-	↔ Ti	-1,77 V
Magnesium (Mg)	Mg2+	+ 2e-	↔ Mg	-2,37 V
Natrium (Na)	Na+	+ e-	↔ Na	-2,71 V
Calcium (Ca)	Ca2+	+ 2e-	↔ Ca	-2,82 V
Kalium (K)	K+	+ e-	↔ K	-2,92 V
Lithium (Li)	Li+	+ e-	↔ Li	-3,04 V

Wie wurde das Standardpotential festegelegt ? Berechtigte Frage ! Die Werte kann sich ja nicht einfach jemand ausgedacht haben. Sie wurde durch Messungen im Labor ermittelt indem man je eine Halbzelle des zu messenden Stoffes mit einer Wasserstoffhalbzelle verschaltet und die Spannung misst. Und warum gerade Wasserstoff ? Rein willkürlich, vermutlich deshalb weil Wasserstoff ein sehr häufiges Element und dazu quasi noch das einfachste überhaupt ist. Man hätte genauso gegen Zinn, Blei oder Fluor messen können. Die Werte sähen dann einfach etwas anders aus. aber es würde nichts an der Elektrochemie ändern.

[Bearbeiten] Edelheit

Die Edelheit eines Metalls hängt ab von der "Bereitschaft" des Metalls Elektronen abzugeben oder aufzunehmen.

Edle Metalle streben danach Elektronen aufzunehmen. (auch Reduktion genannt) => sie sind ein starkes Oxidationsmittel
Unedle Metalle streben danach Elektronen abzugeben (auch Oxidation genannt) => sie sind ein starkes Reduktionsmittel

[Bearbeiten] Halbzellen

Eine Halbzelle besteht aus einem "halben" galvanischen Element bzw ein galvanisches Element ist aus 2 Halbzellen aufgebaut.

Beispiel Halbzelle Zn/Zn2+

Beispiel Halbzelle Cu/Cu2+

Verschaltet man diese nun durch einen Stromschlüssel bildet sich ein Spannungspotential zwischen den beiden Halbzellen (zwischen den beiden Elektroden messbar)

U0 = E0  - E1

(wobei E1 und E2 den Standardpotentialen der beiden Redoxpaare entsprechen) Gilt nur unter Normbedingungen und bei Konzentration 1,0mol/l in beiden Halbzellen

In diesem Fall haben wir Cu/Cu²⁺ und Zn/Zn²⁺ miteinander verschalten. (Diese Verschaltung ist auch als Daniell-Element bekannt)

Man kann jede beliebige Halbzelle miteinander verschalten. Zum Beispiel:

• Silber mit Eisen ( Ag⁺/Ag (c=1mol/l) // Fe²⁺/Fe (c=1mol/l) )
• Chlor mit Nickel ( Cl₂/2Cl^- (c=1mol/l) // Ni²⁺/Ni (c=1mol/l) )

Diese Schreibweise wird auch Zelldiagramm genannt.

Man kann sogar 2 gleiche Halbzellen miteinander verbinden. z.B. Zink mit Zink Jedoch müssen dann die Konzentrationen in den einzelnen Halbzellen unterschiedlich sein, da sich sonst keine Spannung aufbauen kann. Aufgrund dieser unterschiedlichen Konzentrationen nennt man sie auch Konzentrationshalbzelle. Eine Zink/Zink Kombination würde solange Strom liefern bis sich beide Konzentrationen angeglichen haben.

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