Ionenwanderung in der galvanischen Zelle

Grundlagen zum Thema Ionenwanderung in der galvanischen Zelle
Inhalt
Was sind galvanische Zellen?
Galvanische Zellen werden zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie verwendet. Sie bestehen aus zwei Halbzellen, genauer gesagt aus einer Kathode (Pluspol) und einer Anode (Minuspol), die in einem Elektrolyt stecken. Die ablaufenden elektrochemischen Reaktionen (Reduktions- und Oxidationsprozesse) liefern elektrische Energie.
Daniellelement
Das bekannteste Beispiel zur Gewinnung von elektrischer Energie ist das Daniellelement. Hier ist die Kathode ein Kupferblech, das in eine wässrige Lösung von Kupfersulfat (Elektrolyt) getaucht wird (linke Halbzelle $Cu/Cu^{2+}$), während die Anode, ein Zinkblech, in eine wässrige Zinksalzlösung getaucht wird (rechte Halbzelle $Zn/Zn^{2+}$).
Die Kupferionen aus der $Cu^{2+}$-Salzlösung werden an der Kathode zu Kupfer reduziert, während das unedlere Zink aus der Kathode zu $Zn^{2+}$-Ionen oxidiert wird und in die Lösung übergeht.
Reaktionen
Kathode (Reduktion): $Cu^{2+}_{(aq)} + 2 e^- \rightarrow Cu_{(s)}$
Anode (Oxidation): $ Zn_{(s)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2 e^-$
Gesamtreaktion: $Zn_{(s)} + Cu^{2+}_{(aq)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + Cu_{(s)}$
Ionenwanderung
Sind die beiden Halbzellen eines Daniellelements leitend miteinander verbunden, findet ein Elektronenfluss von Zink zu Kupfer statt. Dieser stört die Gleichgewichte an den beiden Elektroden. Damit der Stromkreis geschlossen wird und der Stromfluss nicht zum Erliegen kommt, muss ein Ladungsausgleich zwischen den Elektrolytlösungen erfolgen können.
Dies kann nun entweder durch eine Salzbrücke realisiert werden oder durch die Trennung der beiden Halbzellen nur mit einem Diaphragma. Das ist eine poröse Trennschicht, durch die bestimmte Ionen wandern können. Ohne Möglichkeit zur Ionenwanderung würde kein Ladungsausgleich stattfinden und der Elektronenfluss würde stoppen, da sich die Elektrolytlösungen aufladen. Durch das Diaphragma wandern die positiv geladenen Zinkionen aus der Zinkhalbzelle in die Kupferhalbzelle. Von der Kupferhalbzelle wandern negativ geladene Sulfationen in die Zinkhalbzelle. Es kommt zum Ladungsausgleich in den Lösungen und der Stromkreis ist geschlossen. So kann weiterhin ein Elektronenfluss erfolgen, der erst stoppt, wenn die Zinkelektrode vollständig verbraucht ist.
Zink-Silberoxid-Batterien
Ein weiteres Beispiel für galvanische Zellen sind die Zink-Silberoxid-Batterien. Man findet sie als Knopfzelle in Taschenrechnern oder Armbanduhren. Hier diente früher Quecksilberoxid als Oxidationsmittel, aufgrund seiner Giftigkeit wurde dieses aber inzwischen durch Silberoxid ersetzt. An der Anode wird Zink oxidiert. Als Elektrolyt verwendet man Kalilauge.
Reaktion: $Zn_{(s)} + Ag_2O_{(s)} \rightarrow ZnO_{(s)} + 2 Ag_{(s)}$
Transkript Ionenwanderung in der galvanischen Zelle
Wenn die Halbzellen eines Daniell-Elements leitend miteinander verbunden sind, findet ein Elektronenfluss von Zink zu Kupfer statt. Durch den Elektronenfluss werden die elektrochemischen Gleichgewichte an beiden Elektroden gestört. Damit der Stromkreis geschlossen wird und der Stromfluss nicht zum Erliegen kommt, muss ein Ladungsausgleich zwischen den Elektrolytlösungen erfolgen können. Dafür sorgt das Diaphragma. Wären die Halbzellen nicht durch die poröse Trennschicht, sondern komplett voneinander getrennt, würde folgendes passieren: An der Zinkelektrode werden Elektronen abgezogen. So entsteht hier ein Überschuss an positiver Ladung. Um das Gleichgewicht wiederherzustellen, werden also Elektronen in der Elektrode benötigt. Diese werden durch Oxidation von Zinkatomen geliefert. In der Kupferelektrode entsteht durch den Elektronenfluss hingegen kurzzeitig ein Überschuss an negativer Ladung. Um das elektrochemische Gleichgewicht wiederherzustellen, müssen hier also Elektronen verbraucht werden. Dies erfolgt durch Reduktion von Kupferionen. Durch die Oxidation von Zink reichern sich Zinkionen in der Zink-Halbzelle an. Die Elektrolytlösung der Zinkhalbzelle lädt sich dadurch positiv auf, also entgegengesetzt der negativ geladenen Zinkelektrode. In der Kupferhalbzelle führt die Reduktion von Kupferionen zu einer Anreicherung negativ geladener Sulfat-Ionen. Die Elektrolytlösung der Kupferhalbzelle lädt sich negativ auf. In der Zinkhalbzelle werden durch die positive Ladung der Elektrolytlösung Elektronen zurückgehalten. In der Kupferhalbzelle hingegen stoßen sich die negativ geladenen Sulfationen in der Elektrolytlösung und die Elektronen ab. Dies führt dazu, dass der Elektronenfluss stoppt. Damit weiterhin ein Elektronenfluss zwischen Minus- und Pluspol stattfinden kann, muss ein Ladungsausgleich in den Elektrolytlösungen erfolgen. Durch das Diaphragma wandern die Zinkionen aus der Zinkhalbzelle in die Kupferhalbzelle. Von der Kupfer-Halbzelle wandern Sulfat-Ionen in die Zink-Halbzelle. Es kommt zum Ladungsausgleich in den Lösungen und der Stromkreis ist geschlossen. So kann weiterhin ein Elektronenfluss erfolgen, der erst stoppt, wenn die Zink-Elektrode vollständig verbraucht ist. Auch in der Zink-Kohle-Batterie laufen die Redoxreaktionen so lange ab, bis das Zink vollständig aufgebraucht ist. Die Batterie ist dann leer und muss als Sondermüll entsorgt werden. Damit Paul morgen nicht wieder verschläft, hat er eine neue Batterie in seinen Wecker eingesetzt. Auch der Akku in seinem Handy ist wieder voll aufgeladen. Und zur Sicherheit hat sich Paul noch den Radiowecker seiner Mutter ausgeliehen, der an das Stromnetz angeschlossen ist. Morgen früh ist Paul sicher rechtzeitig wach und verpasst sein Fußballtraining nicht.
Ionenwanderung in der galvanischen Zelle Übung
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Vervollständige die Skizze zur galvanischen Zelle.
TippsAn der Kathode werden die Kupfer-Ionen reduziert.
Ein Diaphragma ist eine poröse Trennschicht, durch die die Sulfat- und Zink-Ionen wandern können.
LösungHier siehst du ein Daniell-Element. Es handelt sich dabei um eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht.
In der Zink-Halbzelle befindet sich eine Zinkelektrode in einer Zinksulfatlösung. Auf der anderen Seite in der Kupfer-Halbzelle sehen wir eine Kupferelektrode in einer Kupfersulfatlösung. Wenn die Halbzellen nun leitend miteinander verbunden sind, findet ein Elektronenfluss von der Anode (Zink) zur Kathode (Kupfer) statt. Dadurch werden die elektrochemischen Gleichgewichte an beiden Elektroden gestört. Damit der Stromkreis geschlossen wird und der Stromfluss nicht stoppt, muss ein Ladungsausgleich zwischen den Elektrolytlösungen erfolgen. Dies ist durch das Diaphragma gesichert.
An der Zinkelektrode werden Elektronen abgezogen. So entsteht hier ein Überschuss an positiver Ladung. Um das Gleichgewicht wiederherzustellen, werden Elektronen benötigt. Dies geschieht durch die folgende Oxidation:
$Zn \rightarrow Zn^{2+} +2~e^-$
In der Kupferelektrode entsteht durch den Elektronenfluss kurzzeitig ein Überschuss an negativer Ladung. Um das Gleichgewicht herzustellen, müssen Elektronen verbraucht werden. Dies erfolgt durch die folgende Reduktion:
$Cu^{2+} +2~e^- \rightarrow Cu$
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Überprüfe die Aussagen zur Ionenwanderung in der galvanischen Zelle auf ihre Richtigkeit.
TippsDie Elektrolytlösung der Kupfer-Halbzelle lädt sich durch die Sulfat-Ionen negativ auf.
Eine Kupfersulfat-Elektrolytlösung besteht aus $Cu^{2+}$-Ionen und $SO_4^{2-}$-Ionen.
Drei Aussagen sind korrekt.
LösungWenn die Halbzellen eines Daniell-Elements leitend miteinander verbunden sind, findet ein Elektronenfluss von Zink zu Kupfer statt. Dadurch werden die elektrochemischen Gleichgewichte an der Anode und Kathode gestört. Damit der Stromfluss nicht zum Erliegen kommt, muss ein Ladungsausgleich zwischen den Elektrolytlösungen erfolgen können. Dafür sorgt das Diaphragma.
An der Zinkelektrode werden Elektronen abgezogen. So entsteht hier ein Überschuss an positiver Ladung. Damit sich ein Gleichgewicht einstellt, werden Elektronen benötigt. Diese entstehen durch die Oxidation von Zink. Dabei reichern sich positiv geladene Zink-Ionen im Elektrolyten an, sodass sich die Lösung positiv auflädt.
In der Kupferelektrode entsteht durch den Elektronenfluss ein Überschuss an negativer Ladung. Um das Gleichgewicht herzustellen, müssen Elektronen verbraucht werden. Dies erfolgt durch die Reduktion von Kupfer-Ionen aus dem Elektrolyten, der sich wegen der negativ geladenen Sulfat-Ionen negativ auflädt.
Damit der Elektronenfluss stattfinden kann, wandern die Sulfat- und Zink-Ionen durch das Diaphragma. Es kommt zum Ladungsausgleich. Der Elektronenfluss stoppt erst, wenn die Zinkelektrode aufgebraucht ist.
Damit ist die einzige falsche Aussage:
„In der Kupfer-Halbzelle reichern sich positiv geladene Sulfat-Ionen an.“
In der Kupfer-Halbzelle reichern sich nämlich negativ geladene Sulfat-Ionen an und sorgen für die negative Ladung des Elektrolyten. -
Bestimme, was für die Kathode und was für die Anode gilt.
TippsBei der Reduktion werden Elektronen aufgenommen.
Die Elektronen fließen von der Anode zur Kathode.
An der Anode wird Zink oxidiert.
LösungHier siehst du ein Daniell-Element. Es handelt sich dabei um eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht. Wobei sich jeweils eine entsprechende Elektrode in einer Sulfatlösung befindet. Da die beiden Elektroden verbunden sind, findet ein Elektronenfluss von Zink zu Kupfer statt.
An der Zink-Anode werden Elektronen abgezogen, so entsteht hier ein Überschuss an positiver Ladung. Um das Gleichgewicht wiederherzustellen, werden Elektronen benötigt. Dies geschieht durch die folgende Oxidation:
$Zn \rightarrow Zn^{2+} +2e^-$
In der Kupfer-Kathode entsteht durch den Elektronenfluss kurzzeitig ein Überschuss an negativer Ladung. Um das Gleichgewicht herzustellen, müssen Elektronen verbraucht werden. Dies erfolgt durch die folgende Reduktion:
$Cu^{2+} +2e^- \rightarrow Cu$
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Gib die passenden Reaktionsgleichungen an.
TippsBei der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle oxidiert Wasserstoff unter Elektronenabgabe an der Anode.
Eine Reduktion ist immer eine Elektronenaufnahme.
LösungBei der Zink-Kohle-Batterie passiert Ähnliches wie bei dem Daniell-Element. Es gibt einen Stromfluss von der Anode zur Kathode. Daher findet an der Anode eine Oxidation von Zink statt:
$Zn\rightarrow Zn^{2+}+2~e^-$
Die Kathode ist in diesem Fall ein Kohleelektrode und der Elektrolyt ist in unserem Beispiel leicht sauer. Durch den Überschuss an Elektroden findet an der Kathode die Reduktion statt. Aus dem Mangan(IV)-oxid (auch Mangandioxid oder Braunstein genannt) und den Oxonium-Ionen wird unter Aufnahme von Elektronen Mangan(III)-oxid und Wasser:
$2~MnO_2+2~H_3O^+ +2~e^-\rightarrow Mn_2O_3 + 3~H_2O$
Das zweite Beispiel ist eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Brennstoffzellen gelten als eine Zukunftstechnologie. Die Idee ist schon mehr als 180 Jahre alt: Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen Strom und Wärme. Auch hier trennt ein Elektrolyt die Elektroden voneinander und ist zuständig für die Möglichkeit der Ionenwanderung, damit der Stromfluss nicht zum Erliegen kommt. In unserem Beispiel ist der Elektrolyt basisch. An der Anode wird Wasserstoff unter Elektronenabgabe oxidiert:
$2~H_2 +4~OH^-\rightarrow 4~H_2O+4~e^-$
An der Kathode wird Sauerstoff unter Elektronenaufnahme reduziert:
$4~e^-+O_2+2~H_2O\rightarrow 4~OH^-$
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Entscheide, ob es sich um eine Oxidation oder eine Reduktion handelt.
TippsBei $Na\rightarrow Na^+ + e^-$ handelt es sich um eine Oxidation.
Bei einer Reduktion werden Elektronen von einem Ion, Atom oder Molekül aufgenommen.
LösungEine Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der von einem Ion, Atom oder Molekül Elektronen abgegeben werden.
1.$~$$2Al\rightarrow 2~Al^{3+}+6~e^-$
2.$~$$Zn\rightarrow Zn^{2+}+2~e^-$Eine Reduktion ist eine chemische Reaktion, bei der von einem Ion, Atom oder Molekül Elektronen aufgenommen werden.
1.$~$$2~Fe^{3+}+6~e^-\rightarrow 2~Fe$
2.$~$$2~H^++2~e^-\rightarrow H_2$
3.$~$$Cl{_2}+2~e^-\rightarrow 2~Cl^-$Verknüpft man die jeweiligen Reaktionsgleichungen miteinander, erhält man eine Redoxreaktion:
1.$~$$Fe_2O_3 + 2~Al \rightarrow 2~Fe + Al_2O_3$
2.$~$$Zn + 2~HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$
3.$~$ $2~Na+Cl{_2}\rightarrow 2~Na^+ + 2~Cl^-$ (mit $2~Na\rightarrow 2~Na^+ + 2~e^-$ als Oxidation) -
Erkläre den Unterschied zwischen Primär- und Sekundärzellen.
TippsWenn die Zink-Kohle-Batterie deines Weckers alle ist, musst du sie im Sondermüll entsorgen.
LösungSowohl beim Handy-Akku als auch bei der Zink-Kohle-Batterie handelt es sich um galvanische Zellen. Dennoch erkennen wir deutliche Unterschiede.
Wir betrachten zunächst das Beispiel der Zink-Kohle-Batterie:
An der Anode wird das Zink oxidiert und dabei gehen die Zink-Ionen in die Elektrolytlösung über. Die Redoxreaktion läuft so lange ab, bis die Zinkelektrode vollständig aufgebraucht ist. Wir können sehen, dass die Redoxprozesse in der Batterie nicht umkehrbar sind. Wenn eine Batterie nicht wieder aufladbar ist, spricht man auch von einer Primärzelle.
Im Gegensatz dazu sind die im Akkumulator (kurz: Akku) ablaufenden Redoxprozesse umkehrbar, daher ist er wieder aufladbar. Man spricht hier von einer Sekundärzelle. Ein Beispiel für einen Akkumulator ist die Autobatterie.

Elektrochemische Spannungsreihe

Die Standardwasserstoffelektrode

Die elektrochemische Zersetzung von Wasser

Elektrodenreaktionen

Brennstoffzelle

Ionenwanderung in der galvanischen Zelle

Nernst-Gleichung und die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials

Die Nernst-Gleichung – Einführung

pH-Abhängigkeit von Redoxpotenzialen

Elektromotorische Kraft (EMK) und Elektrodenpotentiale

Berechnung der EMK einer galvanischen Zelle

Berechnung der Konzentration über die EMK

Berechnung der EMK und freien Enthalpie einer Wasserstoff-Brennstoffzelle

Berechnung der Ladungsbewegung und Stromstärke

Berechnung der Ionenkonzentration nach Elektrolyse

Berechnung der freien Enthalpie einer gegebenen Zelle

Elektrochemisches Potential
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Das ist einfach super erklärt. Durch die Animationen kann man es viel besser verstehen als wenn man es auf der Tafel aufzeichnet. Ein paar mehr Aufgaben wären allerdings wirklich nicht schlecht.
warum gibt es keine weiteren übungsaufgaben
sehr hilfreich!