Chemie-Physik - Elektrochemie

Elektrochemie

Die Elektrochemie basiert auf den Redox-Reaktionen. Hier wollen wir nun sehen wie man verschiedene Stoffe elektrochemisch einsetzen kann. Wir wissen nun, dass es Stoffe gibt die leicht Elektronen abgeben (Reduktionsmittel) und somit unedel sind und dass es Stoffe gibt die gerne Elektronen aufnehmen (Oxidationsmittel) und somit edel sind. Wenn wir beispielsweise Lithium betrachten so gibt dieses gerne ein Elektron ab, denn dadurch erreicht es Edelgaskonfiguration. Sauerstoff erreicht die Edelgaskonfiguration durch die Aufnahme zweier Elektronen und ist somit viel edler als Lithium. Aufgrund dieser Tatsachen hat man eine Spannungsreihe aufgestellt. In dieser Spannungsreihe hat jeder Stoff seinen entsprechenden Platz. Auf der einen Seite befinden sich die starken Reduktionsmittel und auf der anderen Seite befinden sich die stärksten Oxidationsmittel. Edelgase befinden sich nicht in dieser Spannungsreihe, weil sie bereits die Edelgaskonfiguration besitzen. Der undelste Stoff in dieser Spannungsreihe ist das Lithium. Das stärkste Oxidationsmittel in der Spannungsreihe ist Fluor und somit der edelste Stoff in der Spannungsreihe. Diese Spannungsreihe geht davon aus, dass es zwischen diesen verschiedenen Stoffen ein Spannungsgefälle gibt oder auch Potentialdifferenz genannt. Diese Spannungsreihe orientiert sich am Wasserstoff. Definitionsgemäß hat dieser die Spannung 0 Volt. Galvanische Elemente: Um die experimentelle Anleitung, zum aufstellen der Spannungsreihe, zu erläutern sollten wir uns den galvanischen Elementen zuwenden, denn so kommt man zu den Werten der Spannungsreihe. Bei den galvanischen Elementen wird beispielsweise ein Metall in eine Salzlösung und ein anderes Metall in eine andere Salzlösung gestellt. Diese beiden Metall sind durch einen Draht miteinander verbunden. Da sich beide Metalle mit den Lösungen in verschiedenen Gefäßen befinden muss man zwischen den Gefäßen eine Verbindung hergestellt werden. Dies kann man beispielswiese über ein Rohr machen. Nun haben wir einen geschlossenen Stromkreis. Jedes der beiden Gefäße mit den Metallen und den Lösungen wird Halbzelle genannt. Das ist der allgemeine Aufbau eines galvanischen Elements. Wir wollen das Prinzip jedoch an einem anderen galvanischen Element erläutern und dieses wird Daniell-Element genannt. Der Aufbau unterscheidet sich insofern, dass wir hierbei ein Gefäß haben mit einen Trennwand, die jedoch die Ionen der einzelnen Salzlösungen durchlässt. So könne sich die Salzlösungen nicht vermischen, aber die Ionen können von der einen zur anderen Seite wandern. Beim Daniell-Element kommt es auch auf die Stoffe an und zwar nimmt man Kupfer (Cu) und steckt es in eine Kupfersulfatlösung (CuSO4) und als zweiten Stoff nimmt man Zink (Zn) und steckt es in eine Zinksulfatlösung (ZnSO4). Natürlich müssen diese Metalle wieder über einen Draht verbunden werden und schon ist das Daniell-Element fertig. Und nun wollen wir erläutern warum hier Strom fließt.

Wie man erkennen kann, ist es so, dass an der Zinkelektrode ein Elektronenüberschuss entsteht, da Zink unedler ist als Kupfer. Somit ist Zink der Minuspol. Hier findet die Oxidation statt. Diese Elektronen wandern über den Draht zur Kupferelektrode. Diese ist der Pluspol. Hier findet die Reduktion statt. Dadurch bilden sich an der Zinkelektrode Kationen die in die Lösung gehen. Am Pluspol werden aus den Kupferkationen Kupferatome und diese lagern sich an der Kupferelektrode an. Die Sulfat-Anionen (SO42-) aus der Kupfersulfatlösung finden hier nun nicht mehr genug Kupferkationen, weil sich daraus Atome gebildet haben. Daher gehen diese durch die Trennwand und finden auf der anderen Seite Zinkkationen. Durch diesen ganzen Vorgang wird die Kupferelektrode immer größer und die Zinkelektrode immer kleiner. Die Kupfersulfatlösung wird jedoch immer weniger und dafür nimmt die Zinksulfatlösung zu. Wie man sieht befindet sich im Stromkreis auch ein Voltmeter um die Spannung zu messen, die bei Kupfer und Zink stets 1,1 Volt beträgt. Batterien, wie auch Akkumulatoren sind nichts anderes als galvanische Elemente. Die eben gesehene Versuchsanordnung lässt sich auf sehr viele Stoffe übertragen. Je größer die Potentialdifferenz zwischen den beiden Stoffen ist, um so größer ist die Spannung die dabei entsteht. Doch nun zur Definition mit Hilfe des Wasserstoffs. Wie bereits erwähnt hat Wasserstoff definitionsgemäß die Spannung 0 Volt. Das heißt, dass alle anderen Stoffe in der Spannungsreihe relativ zur Normalwasserstoffelektrode angeordnet sind. Um somit die Spannungen für alle Stoffe zu bestimmen muss ein galvanisches Element bauen, dass aus dem zu messenden Stoff und einer Normalwasserstoffelketrode besteht. Da Wasserstoff ein Gas ist nimmt man Platin und diese umspüllt man ständig mit Wasserstoffgas. Somit hat man eine Wasserstoffelektrode. Der Blei-Akkumulator: Es gibt viele Arten von Batterien, doch wollen wir uns hier einer weiterentwickelten Art von Batterie, dem sogenannten Akkumulator zuwenden. Ein weit verbreitetes Beispiel dürfte der Blei-Akkumulator sein. Er findet eine so große Verbreitung, da man ihn als Autobatterie einsetzt. Er besteht aus mehreren Platten. Diese Platten bestehen aus einem Trägergitter welches aus Blei besteht. Damit diese Platten als Elektroden dienen können, müssen einige Platten mit Blei und andere Platten mit Bleidioxid gefüllt werden. Die Bleielektrode ist der Minuspol und die Bleidioxidelektrode ist der Pluspol. Diese Platten müssen deshalb so groß sein, damit sie beim Start kurzfristig einen sehr hohen Strom (über 400 A) produzieren können. Da man meistens 6 solcher Platten hintereinander schaltet beträgt die Spannung 12 V. Als Elektrolyte nimmt man nicht wie beim Daniell-Element zwei Lösungen, sondern nur eins und zwar Schwefelsäure (H2SO4). Am Minuspol wird Blei (Pb) zu Bleisulfat (PbSO4) oxidiert und am Pluspol wird Bleidioxid (PbO2) zu Bleisulfat (PbSO4) reduziert. Die Oxidation ist bei dieser Reaktion ganz leicht zu erkennen, jedoch mag es etwas verwundern warum man hier von der Reduktion spricht. Das ließe sich hierbei nur mit den Oxidationszahlen oder den Wertigkeiten erklären. Das Blei hat in der Verbindung Bleidioxid (PbO2) eine Oxidationszahl von 4 und in der Verbindung Bleisulfat (PbSO4) nur eine Oxidationszahl von 2. Verringert man die Oxidationszahl so handelt es sich um eine Reduktion und beim erhöhen der Oxidationszahl handelt es sich um eine Oxidation. Am Minuspol kann man es auch anwenden, indem man sagt, dass Blei die Oxidationszahl 0 hat, aber in der Verbindung Bleisulfat (PbSO4) hat es die Oxidationszahl 2, also handelt es sich hierbei um eine Oxidation.

Man sieht hier die Oxidation, die Reduktion und die Gesamtreaktion. All diese Reaktionen sind sind jedoch nicht ganz vollständig, jedoch macht man es der Übersicht wegen oft so, dass man nur die Stoffe in die Reaktionsgleichung aufnimmt die bei der Reaktion eine wichtige Rolle spielen. Die Gesamtreaktion ist hier mit einem Gleichgewichtspfeil versehen und zwar soll dies andeuten, dass diese Reaktion in beide Richtungen abläuft. Jedoch nicht einfach so, sondern unter bestimmten Umständen. Wenn der Blei-Akkumulator Strom produziert und somit entladen wird läuft die Hinreaktion ab. Wird er nun geladen läuft die Rückreaktion ab. Diese Rückreaktion erfolgt durch das anlegen einer äußeren Spannung. Dadurch wird die Stromrichtung geändert und die Elektronen fließen vom Pluspol zum Minuspol. Durch diesen Vorgang werden die Ausgangstoffe Blei (Pb), Bleidioxid (PbO2) und Schwefelsäure (H2SO4) wiederhergestellt. Bei diesem Vorgang läuft nun am Pluspol die Oxidation um am Minuspol die Reduktion statt. Bedingt durch einige Faktoren hat der Blei-Akkumulator keine unbegrenzte Lebensdauer. Die Elektrolyse: Bei einer Elektrolyse finden Stoffumwandlungen unter Stromeinfluss statt. Wir wollen es uns kurz anhand der Zinkbromid-Elektrolyse anschauen. Dazu steckt man zwei Graphitelektroden (Kohlenstoffelektroden) in eine Zinkbromid-Lösung (ZnBr2).

Wie man erkennen kann wandern die Zn2+-Ionen, wenn man eine entsprechend große Spannung anlegt, zum Minuspol, weil sie positiv geladen sind und die Br--Ionen gehen zum Pluspol. Die Bromid-Ionen geben am Pluspol ein Elektron ab. Am Minuspol nehmen die Zinkionen zwei Elektronen auf. Somit bilden sich am Minuspol Zinkatome und am Pluspol Bromatome. Bei der Elektrolyse wird also der unedlere Stoff, hierbei Zink, reduziert, da es zwei Elektronen aufnimmt und das edlere Brom wird oxidiert, weil es ein Elektron abgeben muss. Schaltet man nun die Spannungsquelle ab und verbindet die Elektroden nun mit einem Draht, so mißt man Strom der in die andere Richtung fließt wie der Elektrolysestrom, also vom Minuspol zum Pluspol. Und damit ist ein galvanisches Element entstanden. Die Elektrolyse ist also die Umkehrung eines galvanischen Elements. Die Zinkatome geben nun wieder zwei Elektronen ab und werden somit oxidiert und die Bromatome nehmen jeweils ein Elektron auf und werden somit reduziert. Es bildet sich wieder Zinkbromid (ZnBr2). Der Spannungsunterschied zwischen Zink und Brom beträgt 1,83 Volt und diese Spannung ist nun messbar. Andere wichtige Beispiele für Elektrolysen wären beispielsweise die Chloralkali-Elektrolyse. Über diesen Vorgang kann man reines Natrium (Na) aus Kochsalz (NaCl) gewinnen, da es so reaktionsfreudig ist, dass es frei in der Natur nicht vorkommt. Wichtig ist auch die Schmelzflusselektrolyse von Bauxit bei der man als Endprodukt Aluminium bekommt.