Michael Wächter - Fachbegriffe der Chemie

Hinweis: Die Anordnung: Metall A / Elektrolytlösung / Metall B wird „ Galvanisches Element “ genannt.

Beispiel: Verbindet man in einem Galvanischen Element die beiden Metalle A und B (z.B. Kupfer- und Zink-Elektroden), so verwandelt das System chemische Energie in elektrische Energie um: Das unedlere Metall wird durch Elektronenüberschuss zum Minuspol (höherer Lösungsdruck), das edlere Metall zum Pluspol (Elektronenmangel).

1 Das elektrochemische Potenzial elektr.steht mit dem chemischen Potenzial in folgendem Zusammenhang: elektr. =  + z F 

2 Die Standardelektrodenpotenziale E° beziehen sich auf galvanische Halbzellen unter Normalbedingungen ( = +25°C, p = 1013hPa, c = 1 mol/L bzw. Aktivität a = 1) in Kontakt mit der Normalwasserstoffelektrode.

3 Die Standardzellspannung U° einer galvanischen Zelle ist gleich der Differenz zwischen dem Standardelektrodenpotenzial (Redoxpotenzial) der Katode (Pluspol) und dem der Anode (Minuspol): U° = E°(Pluspol, Katode) – E°(Minuspol, Anode).

4 Die Anordnung der Metalle nach ihrem so gemessenen Redoxpotenzial wird als elektrochemische Spannungsreihe bezeichnet.

Hinweis: Zu Redoxreaktionen vgl. Merksätze Nr. 88-90, zum Redoxpotenzial Merksätze Nr. 97ff, zur Elektrolyse Nr.101.

Redoxpaare mit niedrigem Redoxpotenzial reagieren vorrangig unter Elektronenabgabe (Oxidation, gute Reduktionsmittel), Redoxpaare mit hohem Redoxpotenzial reagieren vorrangig unter Elektronenaufnahme (Reduktion, gute Oxidationsmittel).

1 Zwei Galvani-Halbzellen mit gleichen Elektroden und Elektrolytlösungen, aber unterschiedlicher Konzentration, bezeichnet man als Konzentrationszellen. Diese bauen pro Zehnerpotenz Konzentrationsunterschied im Falle einwertiger Ionen etwa 58 mV Spannung auf.

2 Die Nernst’sche Gleichung gibt an, wie Elektrodenpotenziale E aus Standardelektrodenpotenzialen E° und der Elektrolytkonzentration c (Mez+) berechnet werden kann:

E = E ° +  ( R  T ) / ( z  F )  ln c (Me z+ )und bei +25°C: E = E ° + (0,059V) / ( z )  lg c (Me z+ )bzw.: U (Me/Me z+ c = x mol/L) = U ° (Me/Me z+ c = 1 mol/L) + 0,059V / z  lg c (Me z+)

Hinweis: Die üblichen Symbole sind hier:

U°= Standardpotenzial zur NWE (auch: E°) Ox = oxidierte Form, Red = reduzierte Form R = allg. Gaskonstante 8,314 J/K mol T = Temperatur (in Kelvin) z = Anzahl ausgetauschter Elektronen pro Formelumsatz F = Faraday-Constante 96500 C/mol (Es gilt auch:  R G = -U  z  F) ln = natürl. Logarithmus (ln x = 2,303 lg x)

Die Nernst’sche Gleichung kann alternativ auch vom chemischen Potenzial hergeleitet und mit den elektrischen Potenzialen formuliert werden, z. B. für ein Redoxpaar Red/Ox mit: Red Ox +  e . Hier ist:  (Red) =  (Ox) +  e  e und die Differenz der elektrischen Potenziale ist dann:  =  0 +  (R  T) / (  e  F)  ln  c (Ox)/c(Red) 

1 Eine Ladungsmenge von gerundet 96500 C kann ein Mol eines einwertigen Stoffes abscheiden. DieseFaraday-Konstante ist der Quotient aus der Ladungsmenge Qund der Stoffmenge nin mol: 1 F = Q / n = NA • e ≈ 96500 C/mol.

2 Akkumulatoren sind galvanische Elemente, in denen elektrische Arbeit gespeichert werden kann (ein reversibles Be- und Entladen ist möglich). Laden und Entladen sind dabei einander entgegengesetzte elektrochemische Vorgänge.

3 Elektrochemische Korrosion tritt auf, weil sich lokale galvanische Elemente bilden, in der Regel ungewollt, wobei das Werkstück aus dem unedlere Metall vollständig oxidiert werden kann.

4 Wird an eine Elektrolytschmelze oder -lösung eine Gleichspannung angelegt, so wandern die Kationen zur Kathode und die Anionen zur Anode und werden an der jeweiligen Elektrode entladen (kathodische Reduktion, anodische Oxidation). Die Elektrolyse ist damit die Umkehrreaktion zur Entladung eines Galvanischen Elementes.

5 Erstes Faraday’sches Gesetz: Die Masse m eines durch Elektrolyse abgeschiedenen Stoffes ist proportional zur Elektrizitätsmenge Q, die durch diesen Elektrolyten geflossen ist:

m = k  Q bzw. m = k  I  t .

Hinweis: So kann aus Stromstärke I und Zeit t die Masse m des abgeschiedenen Elektrolyten X berechnet werden: M (X)  I  t m (X) = z (X)  F

Die hierin enthaltene stoffspezifische Konstante k = M(X) / (z  F) wird auch als elektrochemisches Äquivalent des Stoffes X mit der Wertigkeit z bezeichnet (Symbol: Ä e ).

1 Zweites Faraday’sches Gesetz: Die von der gleichen Elektrizitätsmenge Q abgeschiedenen Stoffmenge n verschiedener Elektrolyte sind zu deren Wertigkeiten z umgekehrt proportional: nA : nB = zB : zA.

Hinweis : Die Konzentration unbekannter Probelösungen lässt sich mit Hilfe der Faraday’schen Gesetze bestimmen, indem man diese mit abgewogenen Elektroden elektrolysiert. Anschließend wird die Elektrode genau abgewogen um festzustellen, wie viel Metall sich auf der Elektrode abgeschieden hat. Aus der Masse bzw. Stoffmenge des abgeschiedenen Metalles kann die ursprüngliche Konzentration der Salzlösung berechnet werden („Coulometrie“, vgl. Analytischen Chemie).Beim Galvanisieren werden Gegenstände aus Metall als Kathode geschaltet und durch Elektrolyse von Salzlösungen mit Metall beschichtet: Vergolden, versilbern, verchromen usw. Abbildung: Verkupfern einer Metallkathode:

(Bildquelle: Von Torsten Henning (Multilingual Perhelion) - Eigenes Werk, Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1472235)

Abb.: Industrielle Galvanikanlage zur Herstellung von Leiterplatten (Bildquelle: swoolverton über: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PCB_copper_layer_electroplating_machine.jpg)

1 Kohlenwasserstoffe (KW) sind Verbindungen des Kohlenstoffs C mit Wasserstoff H (Allgemeine Summenformel: CxHy). Sie sind nicht wasserlöslich (unpolar), verbrennen zu Kohlendioxid und Wasserdampf und reagieren mit Halogenen.

Beispiel: Der einfachste KW ist das Grubengas ( Methan ). Im Methanmolekül CH 4 ist das C-Atom mit vier gleichwertigen Bindungen zu 4 H-Atomen verknüpft (Abb. bei Merksatz 44):