Ausgewählte Experimente der Elektrochemie Sara Metten

Ausgewählte Ausgewählte Experimente der Experimente der ElektrochemieElektrochemie

Sara MettenSara Metten

GliederungGliederung1. Begriffsklärung1. Begriffsklärung2. Grundlagen2. Grundlagen3. Galvanische Zellen3. Galvanische Zellen

PrimärelementPrimärelement SekundärelementSekundärelement

4. Elektrolysezelle4. Elektrolysezelle5. Einsatz in Alltag und Technik5. Einsatz in Alltag und Technik6. Lehrplan6. Lehrplan7. Didaktische Aspekte7. Didaktische Aspekte

Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen

Elektrochemie

Umwandlung chemischer in elektrische Energie

Elektrolyse

IonenwanderungKorrosion

Begriffsklärung


BegriffsklärungBegriffsklärung Teilgebiet der physikalischen ChemieTeilgebiet der physikalischen Chemie gegenseitige Umwandlung von gegenseitige Umwandlung von

chemischer in elektrischer Energiechemischer in elektrischer Energie Umfasst folgende Vorgänge:Umfasst folgende Vorgänge:

Wanderung von Elektronen und Wanderung von Elektronen und IonenIonen

Ausbildung von elektrochemischen Ausbildung von elektrochemischen PotentialenPotentialen

Begriffsklärung

Demo 1

Spannungsreihe


SpannungsreiheSpannungsreihe

Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e

Cu2+(aq) + 2 e Cu(s)

Fe(s) + Cu2+(aq) Fe2+

(aq) + Cu(s)

Cu(s) + 2 Ag+(aq)

Cu2+(aq) + 2 Ag(s)

--

Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e-

2 Ag+(aq) + 2 e Ag(s)

-

Grundlagen


Folgernde SpannungsreiheFolgernde Spannungsreihe

Ag/Ag+

Cu/Cu2+

Fe/Fe2+

Starke Reduktionsmittel

Starke Oxidationsmittel

Grundlagen


Elektrochemische Elektrochemische SpannungsreiheSpannungsreihe

Einordnung der Salze nach der Größe Einordnung der Salze nach der Größe ihrer Potentialdifferenz, die sich an der ihrer Potentialdifferenz, die sich an der Phasengrenze der Elemente ergibtPhasengrenze der Elemente ergibt

je unedler ein Metall um so:je unedler ein Metall um so: negativer sein Potentialnegativer sein Potential schneller oxidiert esschneller oxidiert es stärker wirkt es als Reduktionsmittelstärker wirkt es als Reduktionsmittel stärker reagiert es mit Säuren und stärker reagiert es mit Säuren und

WasserWasser

Grundlagen

Demo 2

Ionenwanderung


IonenwanderungIonenwanderung Permanganat Ionen wandern zur AnodePermanganat Ionen wandern zur Anode beim Anlegen eines Stroms bewegen sich beim Anlegen eines Stroms bewegen sich

Ionen im elektrischen Feld Ionen im elektrischen Feld wandern gemäß ihrer formalen Ladungwandern gemäß ihrer formalen Ladung in flüssigen Lösungen nicht Elektronen in flüssigen Lösungen nicht Elektronen

sondern Ionen Ladungsträgersondern Ionen Ladungsträger

Grundlagen


Elektrochemische ZellenElektrochemische Zellen bestehen aus zwei Leitern (Elektroden)bestehen aus zwei Leitern (Elektroden) diese müssen mit einem elektrisch diese müssen mit einem elektrisch

leitenden Medium (Elektrolyten) in leitenden Medium (Elektrolyten) in Kontakt stehenKontakt stehen

Zwei unterschiedliche Typen:Zwei unterschiedliche Typen: Galvanische ZelleGalvanische Zelle ElektrolysezelleElektrolysezelle

Grundlagen


Zelltyp Elektr. Anschluss

Elektroden-bezeichnun

g

Reaktions-typ

Galvanische Zelle

Minuspol

Pluspol

Anode

Kathode

Oxidation

Reduktion

Elektrolyse-zelle

Minuspol

Pluspol

Kathode

Anode

Reduktion

Oxidation

Grundlagen


Galvanische Galvanische ZelleZelle

benannt nach Luigi Galvanibenannt nach Luigi Galvani spontane chemische Reaktion wird zur spontane chemische Reaktion wird zur

Erzeugung des Stromes ausgenutztErzeugung des Stromes ausgenutzt besteht im einfachsten Fall aus zwei besteht im einfachsten Fall aus zwei

verschiedenen Metallenverschiedenen Metallen die elektrolytisch und metallisch die elektrolytisch und metallisch

leitend verbunden sindleitend verbunden sind

Galvanische Zellen

Versuch 1

Daniell-Element


-2+0Anode:Anode: ZnZn(s) (s) ZnZn(aq)(aq) + 2 e + 2 e

-2+ 0Kathode:Kathode:CuCu(aq)(aq) + 2 e Cu + 2 e Cu(s)(s)

ElektrodenreaktioneElektrodenreaktionenn

Gesamtreaktion:Gesamtreaktion:ZnZn(s)(s) + Cu + Cu(aq)(aq) Zn Zn(aq)(aq) + + CuCu(s)(s)

2+ 2+0 0

Galvanische Zellen


Elektrodenreaktionen im Elektrodenreaktionen im ÜberblickÜberblick

Galvanische Zellen


Elektromotorische Kraft (EMK)Elektromotorische Kraft (EMK) Potential einer galvanischen ZellePotential einer galvanischen Zelle je größer die Tendenz zum Ablaufen der je größer die Tendenz zum Ablaufen der

chemischen Reaktion, desto größer die chemischen Reaktion, desto größer die EMKEMK

ist abhängig von:ist abhängig von: beteiligten Substanzenbeteiligten Substanzen Konzentrationen der LösungenKonzentrationen der Lösungen TemperaturTemperatur

Galvanische Zellen


Berechnung der EMKBerechnung der EMKZn(s)/Zn2+

(aq) || Cu2+

(aq)/Cu(s)

red

ox0

ccln

FzTREE

Nernst Gleichung

Lmol1Lmol0,1ln

FzTREE 0

Zn/ZnZn/Zn 22

Lmol1Lmol0,1ln

FzTREE 0

Cu/CuCu/Cu 22

Galvanische Zellen


Berechnung der EMKBerechnung der EMK

Lmol0,1Lmol0,1ln

FzTREEE

EEE

0Zn/Zn

0Cu/Cu/CuCuZn/Zn

Zn/ZnCu/Cu/CuCuZn/Zn

2222

2222

00Zn/Zn

0Cu/Cu/CuCuZn/Zn 2222 EEE

V0,7628E

V0,3370E0Zn/Zn

0Cu/Cu

2

2

V1,10E/CuCuZn/Zn 22

Galvanische Zellen


Kommerziell genutzte Kommerziell genutzte ZellenZellen

PrimärelementPrimärelement nach Gebrauch nicht wieder nach Gebrauch nicht wieder

aufladbaraufladbar SekundärelementSekundärelement

wiederaufladbarwiederaufladbar

Galvanische Zellen

Versuch 2

Leclanché Element


Gesamtreaktion:Zn(s) + 2 NH4Cl(aq) + 2 MnO2(s) [Zn(NH3)2Cl2](aq) + MnO(OH)(s)

ElektrodenreaktionenElektrodenreaktionenKathode:2 MnO2 (s) + 2 H(aq) + 2 e 2

MnO(OH)(s)

-++4 +3

Anode:Zn(s) + 2 NH4Cl(aq) [Zn(NH3)2Cl2](aq)+ 2 H (aq) + 2 e-

+0 +2

0 +2 +3+4

Galvanische Zellen


Elektrodenreaktionen im Elektrodenreaktionen im ÜberblickÜberblick

AnodeKathode

Galvanische Zellen


Alkali-Mangan-Alkali-Mangan-BatterieBatterie

ähnlich wie das ähnlich wie das Leclanché ElementLeclanché Element

enthalten NaOH oder enthalten NaOH oder KOH anstatt NHKOH anstatt NH44ClCl

längere Lebensdauerlängere Lebensdauer höhere Spannunghöhere Spannung teurerteurer

Galvanische Zellen


SekundärelementSekundärelement wiederaufladbarwiederaufladbar Entladen:Entladen: Galvanische ZelleGalvanische Zelle Laden:Laden: ElektrolysezelleElektrolysezelle sorgfältig ausgewählte Elektrodensorgfältig ausgewählte Elektroden Produkte der Entladereaktion Produkte der Entladereaktion

müssen schwer löslich seinmüssen schwer löslich sein

Galvanische Zellen

Versuch 3

Bleiakkumulator


Schwefelsäure 20%ig

4 H3O+ + 4 e- 2 H2 + 4 H2O

FormierungKathode Anode

Galvanische Zellen

BleiBlei

Blei(IV)oxid

+1 0

Pb(s) + 6 H2O(l) PbO2(s) + 4 e- + 4 H3O+ 0 +4


Entladevorgang

Verbraucher

Galvanische Zellen

AnodeSO4

2-(aq) + Pb(s) PbSO4(s) + 2 e-

SO42-

(aq) + PbO2(s) + 2 e- + 4 H3O+(aq)

PbSO4(s) + 6 H2O(l)

Kathode0 +2

+2

+4

Bleisulfat


Galvanische Zelle:Pb/Pb2+ || PbO2/Pb2+

Anode:PbSO4(s) + 2 e Pb(s) + SO4

2-(aq)

Laden

-

Kathode:PbSO4(s)+ 6 H2O PbO2(S) + SO4

2-(aq) + 2 e + 4

H3O(aq)

Laden

- +

Gesamtreaktion:2 PbSO4(s) + 2 H2O Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(aq)

Entladen

Laden

Galvanische Zellen

+4

0+2

+2


Aufbau eines Bleiakkus (Autobatterie)

Galvanische Zellen


ElektrolyseElektrolyse Redoxreaktionen, die nicht Redoxreaktionen, die nicht

spontan ablaufenspontan ablaufen Unterschiede zur galvanischen Unterschiede zur galvanischen

Zelle:Zelle: 2 Elektroden im selben 2 Elektroden im selben

ElektrodenraumElektrodenraum nur einen Elektrolytennur einen Elektrolyten

Elektrolysezelle


Prinzip der ElektrolysePrinzip der Elektrolyse mit elektrischem Strom eine Reaktion mit elektrischem Strom eine Reaktion

entgegen ihrer spontanen Richtung zu entgegen ihrer spontanen Richtung zu erzwingenerzwingen

größere Spannung anlegen, als größere Spannung anlegen, als Reaktion bei ihrer spontanen Richtung Reaktion bei ihrer spontanen Richtung liefertliefert

Entscheidend für die Produkte:Entscheidend für die Produkte: angelegte Spannungangelegte Spannung

Elektrolysezelle

Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen Elektrolysezelle

Zelltyp Elektr. Anschluss

Elektroden-bezeichnun

g

Reaktions-typ

Elektrolyse-zelle

Pluspol

Minuspol

Anode

Kathode

Oxidation

Reduktion

Galvanische Zelle

Pluspol

Minuspol

Kathode

Anode

Reduktion

Oxidation

Versuch 4

Elektrolyse von Wasser


Anode: 4 OH(aq) O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e

- -

Kathode: 4 H3O(aq) + 4 e 2 H2(g) + 4 H2O(l)-+

Elektrodenreaktionen

Gesamtreaktion:2 H2O(l) 2 H2(g) + O2(g)

Elektrolysezelle


Auswertung des V/t Diagramms

t [Min.] Volumen H2 [mL]0 01 1,42 3,23 4,84 6,85 8,26 9,67 11,68 13,49 15,010 16,811 18,612 20,413 22,214 23,8

Enstandenes Volumen Diwasserstoff in Abhängigkeit der Zeit

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15

t [Min.]

V H 2

[mL]

I = 0,2 A

Elektrolysezelle


I [A] Volumen H2 [mL]0 0

0,1 1,40,2 3,20,3 5,30,4 7,20,45 8,3

Entstandenes Volumen Diwasserstoff in Abhängigkeit der Stromstärke

0246810

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

I [A]

V H

2 [m

L]

Auswertung des I/t Diagrammst = 2 min.

Elektrolysezelle


Ergebnis der quantitativen Ergebnis der quantitativen ElektrolyseElektrolyse

Anhand der Versuche ist folgendes Anhand der Versuche ist folgendes gezeigt worden:gezeigt worden: V ~ t (I = konst.)V ~ t (I = konst.) V ~ I (t = konst.)V ~ I (t = konst.)

Volumina der abgeschiedenen Gase Volumina der abgeschiedenen Gase sind dem Produkt aus Stromstärke sind dem Produkt aus Stromstärke und Zeit proportionalund Zeit proportional V ~ I V ~ I · t bzw. V ~ Q· t bzw. V ~ Q

Elektrolysezelle


Herleitung des 1. Faraday-Herleitung des 1. Faraday-GesetzesGesetzes

mit dem molaren Volumen Vmit dem molaren Volumen Vmm = V/n = V/n erhält man nerhält man n n ~ I n ~ I · t bzw. n ~ Q· t bzw. n ~ Q

z ist Anzahl der Elektronen, die für z ist Anzahl der Elektronen, die für die Abscheidung die Abscheidung eineseines Teilchens Teilchens übertragen werdenübertragen werden Q = I Q = I · t = N · e · z· t = N · e · z

Elektrolysezelle


mit N = n mit N = n · N· NA A

Q = N · e · z = n · NQ = N · e · z = n · NA A · e · z = n · F · z· e · z = n · F · z F = NF = NAA · e = 96485 C · mol · e = 96485 C · mol-1-1

um 1 Mol einfach geladener Ionen an einer um 1 Mol einfach geladener Ionen an einer Elektrode zu entladen braucht man:Elektrode zu entladen braucht man: Q = 1 mol Q = 1 mol · F = 96485 C· F = 96485 C


FzQn

1. Faraday-Gesetz

Elektrolysezelle



Das Verhältnis der Stoffmengen nDas Verhältnis der Stoffmengen n11/n/n22 von Portionen verschiedener von Portionen verschiedener Elektrolyseprodukte, die durch die Elektrolyseprodukte, die durch die gleiche elektrische Ladung gleiche elektrische Ladung abgeschieden werden folgt aus:abgeschieden werden folgt aus:

Q = nQ = n11· z· z1 1 · F = n· F = n22 · z · z22 · F · F

2. Faraday-Gesetz1

2

2

1

zz

nn

Elektrolysezelle


2. Faraday-Gesetz2. Faraday-Gesetz

Anode: 4 OH(aq) O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e

- -

Kathode: 4 H3O(aq) + 4 e 2 H2(g) + 4 H2O(l)-+

n1= 2 mol H2 n2= 1 mol O2

z1= 2 Elektronenz2= 4 Elektronen

2. Faraday-Gesetz1

2

2

1

zz

nn

24

12

Elektrolysezelle


EinsatzgebieteEinsatzgebiete IndustrieIndustrie HaushaltHaushalt HandysHandys

Einsatz


Lehrplan (G8)Lehrplan (G8)

10.1 Redoxreaktionen10.1 Redoxreaktionen Elektrochemische Elektrochemische

SpannungsquellenSpannungsquellen ElektrolyseElektrolyse

12.2 LK Elektrochemie (Wahlpflicht)12.2 LK Elektrochemie (Wahlpflicht) Nernst GleichungNernst Gleichung

Lehrplan


Didaktische AspekteDidaktische Aspekte Fächerübergreifender UnterrichtFächerübergreifender Unterricht

PhysikPhysik Politik/WirtschaftPolitik/Wirtschaft

einfach durchführbare einfach durchführbare ExperimenteExperimente

hoher Alltagsbezughoher Alltagsbezug

Didakt. Aspekte

Vielen Dank für Ihre Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit !Aufmerksamkeit !

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