Physikalische Chemie

Eine galvanische Zelle besteht aus zwei Halbzellen und kann elektrische Energie liefern, indem sie diese aus chemischer Energie umwandelt. 

Die Atome im Zink-Stab geben Elektronen ab und gehen als Zn2+-Ionen in Lösung. Die freigesetzten Elektronen wandern durch die Kabel zur Oberfläche des Kupfer-Stabes, wo sie Cu2+-Ionen aus der Lösung zu elementaren Cu-Atomen reduzieren. Der Ladungsausgleich zwischen den Halbzellen erfolgt durch eine Wanderung von Sulfat-Ionen durch das Diaphragma von der Cu / Cu2+-Halbzelle in die Zn / Zn2+-Halbzelle.

Die Atome im Zink-Stab geben Elektronen ab und gehen als Zn2+-Ionen in Lösung. Die freigesetzten Elektronen wandern durch die Kabel zur Oberfläche des Kupfer-Stabes, wo sie Cu2+-Ionen aus der Lösung zu elementaren Cu-Atomen reduzieren. Der Ladungsausgleich zwischen den Halbzellen erfolgt durch eine Wanderung von Sulfat-Ionen durch das Diaphragma von der Cu / Cu2+-Halbzelle in die Zn / Zn2+-Halbzelle.

Bei einer Elektrolyse wird eine Redoxreaktion durch Zufuhr von elek-trischem Strom erzwungen. Dabei zersetzt sich der beteiligte Elektrolyt.

Man bezeichnet sie auch als galvanisches Element oder galvanische Kette.

Die galvanische Zelle wird in Batterien, Brennzellen und Akkumulatoren verwendet.

Ein berühmtes Beispiel für eine galvanische Zelle ist das Daniell-Element.

Die Funktion der galvanischen Zelle ist es chemische Energie in elektrische Energie zu verwandeln. Denn nur diese kann dann als Strom in Batterien etc. genutzt werden.

Das Standardpotential einer Halbzelle kann man durch das Verbinden mit einer Normal-Wasserstoff-Halbzelle herausfinden. Wenn diese beiden Halbzellen zu einem galvanischen Element zusammengefügt wurden, kann der Strom, den diese zusammen erzeugen durch ein Voltmeter angezeigt werden. Da die Normal-Wasserstoff-Halbzelle ein Standardpotential von 0 hat, kann so das genaue Standardpotential der zu testenden Halbzelle abgelesen werden.

Aus beispielsweise einer Kupfer- und Silberelektroden kann ein galvanisches Element erzeugt werden.

• An der Kupferelektrode gehen mehr Cu²⁺ Ionen in Lösung als Cu Ionen wieder abscheiden
• Da das Kupfer Elektronen an die Elektrode abgibt, sobald es in die Lösung geht, lädt sich die

  Elektrode negativ auf → Wird zur Anode

• An der Silberelektrode scheiden sich hingegen mehr Ag+ Ionen an der Elektrode ab, als in
  Lösung gehen

• 
  

• Deswegen gibt es an der Silberelektrode Elektronenmangel und sie lädt sich
  positiv auf → wird zur Kathode

• Dazu taucht man die Kupferelektrode in Kupfersulfat-Lösung und die Silberelektrode in Silbernitratlösung
• Dann werden sie durch ein Draht, den Elektronenleiter, mit Voltmeter und einem Ionenleiter verbunden

Mit der Nernst-Gleichung bestimmt man das Elektrodenpotential eines Redox-Paares in Abhängigkeit von den Konzentrationen der beteiligten Substanzen und der Temperatur.

• Die ist da, um den Stromkreis zu schließen
• Die Ionenbrücke ist meist ein U-Rohr, das mit einem Elektrolyten gefüllt ist und dessen Enden mit einer Membran oder einem Diaphragma versehen sind

Ein edles Element erkennt man an einem positiven Standardpotential, während ein unedles Element ein negatives Standardpotentail besitzt.

• auch Daniell’sches Element genannt
•  ist eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht.

Einfaches Modell für galvanische Zellen

• Kupferstab und Zinkstab mit ihrer Ionenlösung werden leitend miteinander verbunden

  ● Reaktion, wenn Beides elektrisch und elektrolytisch miteinander verbunden ist

  ● Elektrolytisch: mit Salzbrücke, die Diffusions- Durchmischungen verhindern soll und Ladungsausgleich ermöglicht

“Halbzellen”

• eine chemische Reaktion, bei welches es zwei Reaktionspartner gibt
• Einer der Reaktionspartner überträgt dabei Elektronen auf den anderen Partner

um Metall zu gewinnen oder aber auch um Stoffe zu gewinnen die durch keine andere chemische Reaktion möglich sind

 zum Beispiel Wasserstoff, Aluminium, Chlor und Natronlaugen

Elektrolyse wird genutzt, um etwas mit Strom zu trennen

kann auch als Umkehrung einer galvanischen Zelle bezeichnet werden

• In einer Lösung tauchen zwei Elektroden ein
• durch die beiden Elektroden wird dann ein elektrischer Gleichstrom erzeugt, das heißt es gibt einen Pluspol (Anode) und einen Minuspol (Kathode)
• In den Minuspol werden Elektronen geschoben und von dem Pluspol abgezogen
• Es entstehen an den Elektroden Reaktionsprodukte
• Während des Prozesses fallen Nebenprodukt der eingesetzten Stoffe an, welche wiederum oxidieren

• Die Lösung, in welcher die Elektroden getunkt werden, besitzt außerdem die Fähigkeit zu leiten
• Diese wird Elektrolyt genannt

muss eine bestimmte Höhe der Spannung eingestellt sein

 können sowohl an der Anode als auch an der Kathode entstehen und die eigentlich benötigte Spannung zusätzlich erhöhen

Das Prinzip des kleinsten Zwanges wird noch als "Prinzip von Chatelier" bezeichnet und das ist so, weil es von Henry Le Chatelier und Ferdinand Braun zwischen 1884 und 1888 formuliert wurde.

Das ist deshalb wichtig, weil du durch die Kenntnis des Prinzips des kleinsten Zwanges verstehst, wie sich eine chemische Reaktion durch äußere Einflüsse so beeinflussen lässt, damit eine maximale Ausbeute erzielt werden kann.

Das Prinzip des kleinsten Zwanges besagt: "Wird auf ein System, das sich im chemischen Gleichgewicht befindet, ein Zwang ausgeübt, verschiebt sich die Lage des Gleichgewichts so, dass die Wirkung des Zwanges minimal wird."

Beim Prinzip des kleinsten Zwanges kannst du dir unter "Zwängen" Änderungen im Sinne von Stoffmengenkonzentration, Druck oder Temperatur vorstellen.

Anhand der Erhöhung der Konzentration von z.B. Essigsäure können wir uns gut den Einfluss von Änderungen der Stoffmengenkonzentration auf die Lage eines Gleichgewichts im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges verdeutlichen.

Laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges läuft kurzzeitig mehr Estersynthese ab, wenn wir die Konzentration von Essigsäure erhöhen. Dies geschieht aus dem Grund, da wir damit die Konzentration von Ester und Wasser steigern können. Damit ist die Reaktion wieder im Gleichgewicht. KC muss wieder den charakteristischen Zahlenwert aufweisen.

Laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges passiert, wenn wir auf der Produktseite z.B. das Wasser entfernen, dass erneut ein Prozess der Gleichgewichtsreaktion stattfindet. Es läuft also vermehrt Esterhydrolyse ab.

Eine Änderung des Drucks im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges kommt zu Stande, wenn Gase an der Reaktion beteiligt sind. So kommt es zu einer Beeinflussung der Gleichgewichtslage.