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Chemie (Subject) / Elektrochemie (Lesson)

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• Welche Arten von elektrochemischen Zellen gibt es? Welcher prinzipielle Unterschied besteht hinsichtlich der Wirkungsweise? Galvanische Zelle: spontane chemische Reaktion wird eingesetzt um elektrischen Strom zu erzeugenElektrolytische Zelle: elektrischer Strom wird eingesetzt um eine, ansonsten nicht spontane Reaktiondurchzuführen
• Beschreiben Sie das Daniell-Experiment mit Hilfe einer Skizze! Geben Sie die Teilgleichungen und den Ladungsfluss an! Ordnen Sie Anode und Kathode zu! Galvanische Zelle, aus einer Zink- und einer Kupferhalbzelle.Ein Zinkstab und ein Kupferstab werden in ihre entsprechenden Ionenlösungen gestellt und leitend miteinander verbunden.Es liegen 2 Redoxpaare vor: Zn/Zn2+ und Cu/Cu2+ .Reaktion: Wenn beide Teilchensysteme elektrisch (Draht zwischen den Elektroden) und elektrolytisch (Salzbrücke oder poröse Wand) verbunden sind: Stromkreis ist geschlossen.Anode: Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2e-(Oxidation)Kathode: Cu2+ (aq) + 2e- → Cu (s) (Reduktion)Gesamtreaktion: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
• Was versteht man unter einer Salzbrücke? Wozu wird diese benötigt? Die Salzbrücke bzw. das Diaphragma dient dazu, die Diffusionsdurchmischung der Lösungen zuverhindern und dennoch einen Ladungsausgleich zu ermöglichen. Eine Salzbrücke besteht aus einem Rohr, das mit einer Salzlösung (zb. Kaliumchlorid, gut geeignet wegen: guter Löslichkeit) gefüllt ist.
• In einem galvanischen Element werden an der Anode Kationen gebildet, an der Kathode werden welche verbraucht. Damit wird örtlich die Elektroneutralität verletzt. Was muss geschehen? Elektronen müssen über einen metallischen Leiter von der Anode zur Kathode geleitet werden.
• Was versteht man unter der Standardwasserstoffelektrode? Beschreiben Sie den Aufbau und geben Sie die Standardbedingungen sowie das Standardreduktionspotential an! Ein Voltmeter wird zwischen die beiden Elektroden einer galvanischen Zelle geschalten, um das gesamte Zellenpotential zu messen, nicht jedoch die erinzelnen Beiträge von Anode und Kathode. Wenn wir aber festlegen, dass ein bestimmtes Redoxpaar ein Elektrodenpotential von Null hat (E0=0 V) und dieses Referenzpaar nennen, dann kann das Zellenpotential ausschließlich dem 2. Redoxpaar zugeschrieben werden.Als Referenzpaar nehmen wir die Standardwasserstoffelektrode, die aus dem H+/H Redoxpaar in seinem Standardzustand (wässrige Lösung H+-Ionen mit 1 mol/L Konzentration und Wasserstoffgas unter 1 bar) in Gegenwart von Pt besteht.2H+ (aq) + 2e- → H2(g)             E0 = 0 V
• Geben Sie das Zellendiagramm für eine Redoxreaktion an, bei der Au+durch metallisches Zinn unter Bildung von Sn2+ (aq) zu Au(s) reduziert wird! Sn(s)/Sn2+ (aq) // Au+(aq)/Au (s)
• Was bezeichnet man als elektromotorische Kraft? Wie kann man diese messen? Geben Sie eine weitere Bezeichnung für den Begriff EMK an! Die Zug- und Schubkraft einer Zellreaktion wird als Zellpotential E gemessen, das Zellpotential wird auch elektromotorische Kraft der Zelle oder ihre Spannung genannt.Zellpotentiale werden mit elektrischen Voltmetern gemessen. Man liest einen positiven Wert ab, wenn das + Ende des Voltmeters mit der Kathode verbunden ist und umgekehrt. Die EMK einer Zelle kann man sich auch als Unterschied zwischen zwei Elektrodeneinzelpotentialen vorstellen.
• Beschreiben Sie den Aufbau sowie die Funktionsweise einer Brennstoffzelle! Geben Sie auch Anoden-, Kathoden- und Nettoreaktion an! Handelt es sich dabei um primäre oder sekundäre Zellen? Eine galvanische Zelle kann eine primäre Zelle, eine sekundäre Zelle oder eine Brennstoffzelle sein.Primäre Zelle: zb. Batterie, Reaktanten bei Herstellung eingebautSekundäre Zelle: zb. Akku, muss zunächst aufgeladen werden, indem sie als elektrolytische Zelle geschalten wird, bevor die Reaktanten für den umgekehrten, spontanen Prozess bereit sind.Brennstoffzelle: Reaktanten werden kontinuierlich zugefügt, während die Zelle Strom produziert(→primäre Zelle!)In einer einfachen Version einer Brennstoffzelle wird unter Verwendung von wässrigen Kaliumhydroxid als Elektrolyt, Wasserstoff als Brennstoff über eine der Elektroden geleitet und Sauerstoff über die andere. Die Elektronen stammen aus der Oxidationsreaktion des Wasserstoffs.A: H2 (g) + 2OH(aq) → 2H2O (l) + 2e Die Elektronensenke (Reaktion bei der e verbraucht werden) ist die Reduktion von Sauerstoff an der Kathode. K: O2 (g) + 2H2O (l) → 4 OHNettoreaktion: 2H2(g) + O2(l) → 2H2O (l)
• Beschreiben Sie den Aufbau sowie die Funktionsweise einer Trockenzelle und geben Sie alle bei deren Betrieb ablaufenden Reaktionsgleichungen an! Trockenzellen sind bei tragbaren elektrischen Geräten weit verbreitet, auch „Leclanché-Zelle“. Produziert am Anfang ca. 1,5 V, sinkt auf 0,8 V → Potential kann durch Verteilung der Produkte im Elektrolyt wieder auf 1,3 V steigen (warten!).Aufbau: Zinkgehäuse, innen mit Papier (poröse Barriere) ausgekleidet. Der Behälter ist mit einer feuchten Paste (Ammoniumchlorid, Mangan(IV)oxid, Kohlenstoffkügelchen und innertes Füllmaterial, zb. Stärke) gefüllt. Anode: metallisches Zink, Kathode: Kohlestab in der Mitte des Behälters.A: Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2e-                                                                                                            K: MnO2(s) + H2O (l) + e- → MnO(OH) (s) + OH-(aq) OH- Ionen wandern zur Zinkanode und bilden mit                                                                    NH4+: NH4+(aq) + OH-(aq) → NH3(aq) + H2O (l). Sowie die Zn2+-Ionen von der Anode wegwandern reagieren sie mit dem Ammoniak:              Zn2+ (aq) + 4NH3(aq) → Zn(NH3)42+ (aq). Damit wird die Zn2+ Konzentration niedrig gehalten, die Möglichkeit der Bildung von Gleichgewichtskonzentrationen der Ionen an der Anode wird verringert.  Zuviel Zn(NH3)42+vorhanden: Chlorid-Salz kristallisiert, Wirksamkeit der ionischen Leitung des Stroms reduziert → Zelle verbraucht. Erwärmung bringt Zellenpotential teilweise wieder zurück.
• Beschreiben Sie den Aufbau einer Autobatterie! Wie lautet die Entladungsreaktion? Welche Vorgänge spielen sich an Anode und Kathode ab? Geben Sie auch die Reaktionsgleichungen an! Eine der wichtigsten sekundären Zellen ist die Blei-Säure-Zelle einer Autobatterie. Jede Zelle enthält mehrere Gitter, die als Elektroden wirken. Da die Gesamtoberfläche dieser Gitter groß ist, kann sie bei Bedarf große Strommengen erzeugen. Elektroden am Anfang: harte Blei-Antimon-Legierung, die mit einer Paste aus Blei(III)sulfat bedeckt sind. Elektrolyt: Schwefelsäure.A: Pb (s) + HSO4-(aq) → PbSO4(s) + H+(aq) + 2e- K:PbO2(s) + 2H+(aq) + HSO4-(aq) + 2e- → 2PbSO4(s) + 2H2O (l) G: Pb (s) + PbO2 + 2H+ (aq) + 2HSO4-(aq) → 2PbSO4(s)+ 2H2O (l)
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• Beschreiben Sie den Aufbau sowie die Funktionsweise einer alkalischen Zelle und geben Sie die beiden bei deren Entladung ablaufenden Reaktionsgleichungen an! Die länger haltbaren alkalischen Zellen sind dem Leclanché-Element ähnlich (Ammoniumchlorids durch Natrium- oder Kaliumhydroxid ersetzt). Diese haben ein längeres Leben, da das Zink nicht mehr länger der sauren Umgebung der NH4+ - Ionen ausgesetzt ist. Da diese Ionen leichter durch den Elektrolyten wandern, liefern alkalische Zellen mehr Leistung und einen gleichmäßigeren Stromfluss.A: Zn (s) + 2OH-(aq) → Zn(OH)2 (s) + 2e- K: 2MnO2 (s) + 2H2O (l) + 2e- → 2MnO(OH) (s) + 2OH-(aq)
• Beschreiben Sie den Aufbau sowie die Funktionsweise einer Ni/Cd-Zelle und geben Sie die beiden bei deren Entladung ablaufenden Reaktionsgleichungen an! Die wiederaufladbare Nickel-Cadmium-Zelle wird oft in tragbaren elektrischen Geräten verwendet.Elektroden: Edelstahlgitter; Elektrolyt: Kaliumhydroxidlösung.A: Cd (s) + 2OH-(aq) → Cd(OH)2 + 2e- Da Cadmiumhydroxid unlöslich ist, haftet es während der Oxidation am Gitter.K: 2Ni(OH)3(s) + 2e- → Ni(OH)2 + 2OH-(aq)Das unlösliche Nickel(III)hydroxid haftet auch am Edelstahlgitter und ist daher gut verfügbar, wenn dieZelle geladen werden soll.

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