Anorganische Chemie für Schüler: Elektrochemie
Was bedeutet Elektrochemie?
[Bearbeiten]Elektrochemie ist ein recht schwammiger Begriff. Im Allgemeinen beschreibt die Elektrochemie Vorgänge, bei denen chemische Reaktionen mit elektrischem Strom verbunden sind. Zum einen gibt es Reaktionen, bei denen elektrische Spannungen entstehen (Galvanischen Zellen) und zum anderen gibt es Redoxreaktionen, die erst mit dem zuführen von Strom in Gang gesetzt werden (Elektrolyse). Praktische Anwendung von elektrochemischen Prozessen sind zum Beispiel Batterien, Brennstoffzellen oder die Darstellung von verschiedenen Stoffen.
Galvanische Zelle
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Die Galvanische Zelle dient vor allem als Möglicheit elektrische Energie zu "speichern". Im Prinzip wird aber in einer Batterie die chemische Energie der Stoffe genutzt und in elektrische umgewandelt. Eine Galvanische Zelle besteht, wie rechts im Bild zu sehen aus zwei Halbzellen, die je eine Metallelektrode mit den dazugehörigen Ionenlösungen enthalten. Mit Hilfe der Ionenbrücke und der Kabelverbindung zwischen den Elektroden wird der Stromkreis geschlossen. Die unedlere Elektrode ist die Anode, da hier die Oxidation stattfindet und die edlere Elektrode ist dementsprechend die Kathode. Die "Edelheit" eines Metalls kann man in der Spannungsreihe einsehen.
Das Daniell-Element
[Bearbeiten]Das Daniell-Element besteht im Modell aus zwei Halbzellen, von denen eine eine Lösung mit Kupfer-Ionen (Cu2+) und die andere eine Zink-Ionen-Lösung (Zn2+) enthält. Die Ionen stammen meist aus den jeweiligen Sulfatlösungen.
Ein Daniell-Element ist eine elektrische Stromquelle, welche ihre elektrische Energie aus chemischer Energie gewinnt, die bei Abnahme des Stroms über chem. Reaktionen stattfindet. Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass verschiedene Metalle und Nichtmetalle eine unterschiedliche Fähigkeit besitzen, Elektronen abzugeben . Man nennt das Daniell-Element auch galvanische Zelle, galvanisches Element, Daniellsches Element oder auch galvanische Kette. Nun der Aufbau und die Funktionsweise des Daniell-Elements: Das Daniell-Element besteht aus zwei Halbzellen oder Halbkammern, welche entweder durch eine poröse Membran namens Diaphragma oder durch einen Docht, getränkt mit Kaliumchloridlösung, verbunden sind. Damit wird verhindert, dass sich die Lösungen vermischen und dennoch ein Ladungsausgleich durch Ionenwanderung möglich ist um den Stromkreis bei Stromfluss über den Stromleiter zu gewährleisten. In der einen Kammer der galvanischen Zelle befindet sich zum Beispiel eine Zinkelektrode, die in eine Zinksulfatlösung (ZnSO4) eingetaucht ist und in der anderen Kammer befindet sich eine Kupferelektrode, die in einer Kupfersulfatlösung (CuSO4) getaucht ist. Die beiden Elektroden sind mit einem Elektrischen Leiter (Kabel) außerhalb der Kammern verbunden. Jetzt fließt ein Strom über das Kabel von der Zink-Halbzelle auch Donatorhalbzelle (-) zu der Kupferhalbzelle auch Akzeptorhalbzelle (+) genannt. Der Grund ist, dass die eingetauchte Zinkelektrode in der Zinksulfatlösung einige ihrer Zink-Ionen in Lösung gehen lässt, das heißt, dass sich Zink-Ionen von der Elektrode ablösen und in die Lösung übergehen, wobei sich Elektronen herauslösen und sich damit in der Elektrode ansammeln (Elektrode wird negativ). Während dieses Vorganges werden gleich viele Kupfer-Ionen aus der Lösung an die Kupferelektrode abgeschieden und an der Elektrode abgelagert, da hier Elektronen in dieser Elektrode ankommen und damit diese Ionen anziehen. Elektronen werden kurz gesagt in der Zink-Elektrode „erzeugt“ und in der Kupfer-Elektrode „verbraucht“. Somit ist die Ladung an der Kupferelektrode geringer, als an der anderen und somit entsteht das Spannungspotential und schließlich ein Strom. Durch den Ladungsunterschied bei diesem Vorgang zwischen positiv geladenen Zink- Ionen in der Lösung und der negativ aufgeladenen Zinkelektrode in der Zink-Halbzelle bildet sich eine Doppelschicht. Die negative Schicht wird gebildet durch die Elektronen in der Zinkelektrode. Die positive Schicht wird durch die hydratisierten Zink-Ionen gebildet die sich durch die elektrostatischen Anziehungskräfte an der Elektrodenoberfläche abgesetzt haben. In der Kupferhalbzelle erfolgt ein vergleichbarer Vorgang, wobei dort weniger Kupferatome in Lösung gehen und somit die Tendenz des Kupfers, Elektronen abzugeben und als Ion in Lösung zu gehen, geringer als bei Zink ist und durch den Stromfluss sogar umgekehrt gezwungen ist zu reagieren, wie oben beschrieben. Dadurch ist auch anders erklärt, dass die negative Ladung an der Kupferelektrode wesentlich geringer als bei der Zinkelektrode. Insgesamt gesehen kann man auch sagen, dass die Zinkelektrode durch die Abgabe von Elektronen oxidiert und die Kupferelektrode durch die Aufnahme von Elektronen reduziert. Dies sind die Erklärungen und Kenntnisse der Redoxreaktion. Im Ursprung kann man davon ausgehen, dass eigentlich jedes Metall nach Oxidation strebt, also Elektronen abgeben will, sobald es in einer galvanischen Halbzelle getaucht wird, nur das die Stärke nach Reduktion, wie schon erwähnt, unterschiedlich stark ist. Nur dadurch, dass die zwei Metalle zusammengeschaltet werden und dadurch beide Metalle miteinander kämpfen, welches nun Elektronen abgibt (eins kann ja hier nur), hängt also nur von der Stärke ab. Welches stärker ist, gibt also letztendlich die Elektronen ab und das andere ist somit gezwungen, die Elektronen aufzunehmen. Davon hängt dann auch die Richtung des Stromflusses, welche Elektrode oxidiert bzw. reduziert und wo dadurch letztendlich der Minus- bzw. Pluspol liegt, ab. Hier eine Übersicht der Metalle, die nach deren Reduktionsfähigkeit nach geordnet sind.
„Je edler der Charakter , desto geringer die Oxidationsfähigkeit“
Begriffsklärung :
[Bearbeiten]Metall / Metall - Ionen - Elektrode :
Da das Elektrodenmaterial aktiv an der Reaktion teilnimmt, kommen als Elektrodenmaterialien nur unedlere Metalle in Frage. Aus einem Zinkstab lösen sich in Wasser so viele Ionen, dass beim Eintauchen eines Stabes in die entsprechende Lösung immer eine Metallionenelektrode vorliegt. Völlig inerte Metalle, wie z.B. Platin können nicht als Metallionenelektroden verwendet werden.
Standardpotential :
Unter dem Standardpotential eines Redoxpaar (sind 2 Stoffe die miteinander unterschiedlich reagieren) versteht man die unter Standardbedingung (z.B.: Luftdichte, Standardtemperatur und Standarddruck) messbare elektrische Spannung zwischen einer Wasserstoffelektrode (wird allgemein als Elektrode bezeichnet) und der Halbzelle (setzt sich zusammen aus einem Metall und seiner Salzlösung) jenes Redoxpaares. Die nach Größe geordnete Tabellierung der Standardpotentiale ergibt die Elektrochemische Spannungsreihe (Auflistung von Redoxpaaren).
Elektrochemische Spannungsreihe :
Ordnungskriterium der chemischen Elemente, u. a. der Metalle, nach zunehmendem elektrischen Potenzial bzw. für die elektrochemische Spannungsreihe nach zunehmendem elektrochemischen Potenzial. Dieses entsteht als Potenzialdifferenz zwischen dem Element und einer Lösung seiner Ionen, wenn das Element in die Lösung taucht.
Feststellen der Stromrichtung I
[Bearbeiten]Die Regel "Anionen wandern zur Anode, Kationen zur Kathode (entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an)" gilt uneingeschränkt nur für den Fall der Elektrolyse! Bei galvanischen Elementen ist diese Zuordnung nicht mehr ganz so eindeutig. Im Daniell-Element z. B. lagern sich zwar die Kupfer-Kationen an die Kathode an (und werden dabei zum Metall reduziert!) und die Zink-Kationen treten aus der Anode aus (nachdem das Metall oxidiert wurde!), dies kann aber nicht durch die Ladungen erklärt werden, nicht zuletzt da diese erst als Folgeerscheinung entsprechend der Spannungsreihe entstehen. Ähnliches gilt für die zugehörigen Anionen, die sich zwar auch in den Anodenraum bewegen, jedoch primär um die Neutralität der Lösung aufrechtzuerhalten. Die Reduktionsreaktion mit dem niedrigeren Potential läuft umgekehrt als Oxidation, die zugehörige Elektrode ist demnach die Anode, an der dadurch festgelegten Kathode bleibt die Reaktion wie gehabt.
Merksätze :