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Ausgewählte Experimente der Elektrochemie Sara Metten Gliederung 1. Begriffsklärung 2. Grundlagen 3. Galvanische Zellen Primärelement Sekundärelement 4. Elektrolysezelle 5. Einsatz in Alltag und Technik 6. Lehrplan 7. Didaktische Aspekte Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Elektrochemie Umwandlung chemischer in elektrische Energie Elektrolyse Ionenwanderung Korrosion Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Begriffsklärung Teilgebiet der physikalischen Chemie gegenseitige Umwandlung von chemischer in elektrischer Energie Umfasst folgende Vorgänge: Wanderung von Elektronen und Ionen Ausbildung von elektrochemischen Potentialen Demo 1 Spannungsreihe Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Spannungsreihe Cu2+ (aq) - +2e Cu(s) Fe(s) Fe(s) + Cu2+(aq) Fe2+(aq) + Cu(s) 2 Ag+(aq) + 2 e - Ag(s) Cu(s) Cu2+ Cu(s) + 2 Ag+(aq) (aq) +2e - Fe2+ (aq) - +2e Cu2+(aq) + 2 Ag(s) Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Folgernde Spannungsreihe Ag/Ag+ Cu/Cu2+ Starke Reduktionsmittel Fe/Fe2+ Starke Oxidationsmittel Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Elektrochemische Spannungsreihe Einordnung der Salze nach der Größe ihrer Potentialdifferenz, die sich an der Phasengrenze der Elemente ergibt je unedler ein Metall um so: negativer sein Potential schneller oxidiert es stärker wirkt es als Reduktionsmittel stärker reagiert es mit Säuren und Wasser Demo 2 Ionenwanderung Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Ionenwanderung Permanganat Ionen wandern zur Anode beim Anlegen eines Stroms bewegen sich Ionen im elektrischen Feld wandern gemäß ihrer formalen Ladung in flüssigen Lösungen nicht Elektronen sondern Ionen Ladungsträger Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Elektrochemische Zellen bestehen aus zwei Leitern (Elektroden) diese müssen mit einem elektrisch leitenden Medium (Elektrolyten) in Kontakt stehen Zwei unterschiedliche Typen: Galvanische Zelle Elektrolysezelle Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Zelltyp Elektr. Anschluss Galvanische Minuspol Zelle Elektrolysezelle Elektroden- Reaktionsbezeichnung typ Anode Oxidation Pluspol Kathode Reduktion Minuspol Kathode Reduktion Pluspol Anode Oxidation Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Galvanische Zelle benannt nach Luigi Galvani spontane chemische Reaktion wird zur Erzeugung des Stromes ausgenutzt besteht im einfachsten Fall aus zwei verschiedenen Metallen die elektrolytisch und metallisch leitend verbunden sind Versuch 1 Daniell-Element Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Elektrodenreaktionen Anode: 0 Zn(aq) + 2 e2+ Zn(s) 0 2+ Kathode: Cu(aq) + 2 e- Cu(s) Gesamtreaktion: 0 2+ Zn(s) + Cu(aq) 2+ 0 Zn(aq) + Cu(s) Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Elektrodenreaktionen im Überblick Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Elektromotorische Kraft (EMK) Potential einer galvanischen Zelle je größer die Tendenz zum Ablaufen der chemischen Reaktion, desto größer die EMK ist abhängig von: beteiligten Substanzen Konzentrationen der Lösungen Temperatur Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Berechnung der EMK Zn(s)/Zn2+(aq) || Cu2+(aq)/Cu(s) c ox R T EE ln zF c red 0 E Zn/Zn 2 E 0 Zn/Zn 2 E Cu/Cu 2 E 0 Cu/Cu 2 Nernst Gleichung R T 0,1 mol L ln z F 1 mol L R T 0,1 mol L ln z F 1 mol L Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Berechnung der EMK E Zn/Zn 2 Cu 2 /Cu E Cu/Cu 2 E Zn/Zn 2 E Zn/Zn 2 Cu 2 /Cu E 0 Cu/Cu 2 E 0 Zn/Zn 2 R T 0,1 mol L ln z F 0,1 mol L 0 E Zn/Zn 2 Cu 2 /Cu E 0 Cu/Cu 2 E Zn/Zn 2 Cu 2 /Cu 1,10 V E 0 Zn/Zn 2 E 0Cu/Cu 2 0,3370 V E 0Zn/Zn 2 0,7628 V Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Kommerziell genutzte Zellen Primärelement nach Gebrauch nicht wieder aufladbar Sekundärelement wiederaufladbar Versuch 2 Leclanché Element Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Elektrodenreaktionen Kathode: +4 +3 + 2 MnO2 (s) + 2 H(aq) + 2 e - 2 MnO(OH)(s) Anode: +2 0 Zn(s) + 2 NH4Cl(aq) Gesamtreaktion: 0 [Zn(NH3)2Cl2](aq)+ 2 H +4 Zn(s) + 2 NH4Cl(aq) + 2 MnO2(s) +2 + (aq) +2e- +3 [Zn(NH3)2Cl2](aq) + MnO(OH)(s) Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Elektrodenreaktionen im Überblick Anode Kathode Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Alkali-Mangan-Batterie ähnlich wie das Leclanché Element enthalten NaOH oder KOH anstatt NH4Cl längere Lebensdauer höhere Spannung teurer Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Sekundärelement wiederaufladbar Entladen: Galvanische Zelle Laden: Elektrolysezelle sorgfältig Produkte ausgewählte Elektroden der Entladereaktion müssen schwer löslich sein Versuch 3 Bleiakkumulator Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Formierung Kathode +1 4 H3O+ + 4 e- 0 2 H2 + 4 H 2 O Anode 0 Pb(s) + 6 H2O(l) +4 PbO2(s) + 4 e- + 4 H3O+ Blei Blei Blei(IV)oxid Schwefelsäure 20%ig Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Entladevorgang Anode 0 SO42-(aq) + Pb(s) Bleisulfat +2 PbSO4(s) + 2 eVerbraucher Kathode +4 SO42-(aq) + PbO2(s) + 2 e- + 4 H3O+(aq) +2 PbSO4(s) + 6 H2O(l) Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Galvanische Zelle: Pb/Pb2+ || PbO2/Pb2+ Anode: +2 PbSO4(s) + 2 e Kathode: +2 PbSO4(s)+ 6 H2O Laden Laden 0 Pb(s) + SO42-(aq) +4 PbO2(S) + SO42-(aq) + + 2 e + 4 H3O(aq) Gesamtreaktion: 2 PbSO4(s) + 2 H2O Laden Entladen Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(aq) Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Aufbau eines Bleiakkus (Autobatterie) Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Elektrolyse Redoxreaktionen, die nicht spontan ablaufen Unterschiede zur galvanischen Zelle: 2 Elektroden im selben Elektrodenraum nur einen Elektrolyten Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Prinzip der Elektrolyse mit elektrischem Strom eine Reaktion entgegen ihrer spontanen Richtung zu erzwingen größere Spannung anlegen, als Reaktion bei ihrer spontanen Richtung liefert Entscheidend für die Produkte: angelegte Spannung Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Zelltyp Elektrolysezelle Elektr. Anschluss Elektroden- Reaktionsbezeichnung typ Pluspol Anode Oxidation Minuspol Kathode Reduktion Kathode Reduktion Anode Oxidation Galvanische Pluspol Zelle Minuspol Versuch 4 Elektrolyse von Wasser Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Elektrodenreaktionen Anode: 4 OH(aq) O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e Kathode: 4 H3O(aq) + 4 e + Gesamtreaktion: 2 H2O(l) 2 H2(g) + O2(g) - 2 H2(g) + 4 H2O(l) Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Auswertung des V/t Diagramms I = 0,2 A Enstandenes Volumen Diwasserstoff in Abhängigkeit der Zeit 25 V H2 [mL] t [Min.] Volumen H2 [mL] 0 0 1 1,4 2 3,2 3 4,8 4 6,8 5 8,2 6 9,6 7 11,6 8 13,4 9 15,0 10 16,8 11 18,6 12 20,4 13 22,2 14 23,8 20 15 10 5 0 0 5 10 t [Min.] 15 Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Auswertung des I/t Diagramms t = 2 min. Entstandenes Volumen Diwasserstoff in Abhängigkeit der Stromstärke Volumen H2 [mL] 0 1,4 3,2 5,3 7,2 8,3 10 V H2 [mL] I [A] 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,45 8 6 4 2 0 0 0,1 0,2 0,3 I [A] 0,4 0,5 Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Ergebnis der quantitativen Elektrolyse Anhand der Versuche ist folgendes gezeigt worden: V ~ t (I = konst.) V ~ I (t = konst.) Volumina der abgeschiedenen Gase sind dem Produkt aus Stromstärke und Zeit proportional V ~ I · t bzw. V ~ Q Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Herleitung des 1. Faraday-Gesetzes mit dem molaren Volumen Vm = V/n erhält man n n ~ I · t bzw. n ~ Q z ist Anzahl der Elektronen, die für die Abscheidung eines Teilchens übertragen werden Q=I·t=N·e·z Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Herleitung des 1. Faraday-Gesetzes mit N = n · NA Q = N · e · z = n · NA · e · z = n · F · z F = NA · e = 96485 C · mol-1 um 1 Mol einfach geladener Ionen an einer Elektrode zu entladen braucht man: Q = 1 mol · F = 96485 C Q 1. Faraday-Gesetz n z F Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Herleitung des 2. Faraday-Gesetzes Das Verhältnis der Stoffmengen n1/n2 von Portionen verschiedener Elektrolyseprodukte, die durch die gleiche elektrische Ladung abgeschieden werden folgt aus: Q = n1· z1 · F = n2 · z2 · F 2. Faraday-Gesetz n1 z 2 n2 z1 Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte 2. 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 Elektronen z2= 4 Elektronen 2. Faraday-Gesetz n1 z 2 n2 z1 - 2 4 1 2 Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Einsatzgebiete Industrie Haushalt Handys Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Lehrplan (G8) 10.1 Redoxreaktionen Elektrochemische Spannungsquellen Elektrolyse 12.2 LK Elektrochemie (Wahlpflicht) Nernst Gleichung Begriffsklärung Grundlagen Galvanische Zellen Elektrolysezelle Einsatz Lehrplan Didakt. Aspekte Didaktische Aspekte Fächerübergreifender Unterricht Physik Politik/Wirtschaft einfach durchführbare Experimente hoher Alltagsbezug Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
