Elektrochemie

Im Alltag wirst du elektrochemischen Prozessen begegnen. Vermutlich sogar in diesem Augenblick, während du diesen Artikel liest – sofern du einen Laptop, Tablet oder Smartphone nutzt. 

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Inhaltsangabe

    Wenn dein Akku sich langsam entlädt, wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Diesen Prozess nennt man auch einen galvanischen Prozess. Hast du dein Smartphone, Tablet oder Laptop jedoch angeschlossen und lädt sich der Akku auf, dann findet ein elektrolytischer Prozess statt.

    Elektrochemie – Definition

    Die Elektrochemie ist ein Teilgebiet der physikalischen Chemie. Sie befasst sich mit den Zusammenhängen zwischen elektrischen und chemischen Vorgängen.

    Elektrochemie ist die Wissenschaft von den Zusammenhängen zwischen elektrischen Vorgängen und chemischen Reaktionen.

    Elektrochemie und das Standardelektrodenkpotenzial

    Das Standardelektrodenpotential ist eine thermodynamische Größe, die vom Elektrodenmaterial abhängt und sich mit der Temperatur und dem Druck ändert. Aus diesem Grund hat man Standardbedingungen definiert, bei denen man das Standardelektrodenpotenzial einfach bestimmen und vergleichen kann.

    Als Standardbedingungen für elektrochemische Prozesse legte man die Temperatur von 298,15 K (25 °C) und einen (Luft-)Druck von 101 325 Pa fest.

    Durch die Nernst-Gleichung wird das Elektrodenpotential für die allgemeine Reaktion eines beliebigen Redoxpaars beschrieben.

    D A + z e-E = E0(D,A) + R * Tz *F Inc(A)c(D)

    D – Elektronendonator

    A – Elektronenakzeptor

    E – Elektrodenpotenzial

    E0– Standardelektrodenpotential

    R – Gaskonstante

    T – Temperatur

    z – Zahl der ausgetauschten ElektronenF – Faraday-Konstante

    c – Konzentration

    Der erste Summand in der Nernst-Gleichung beschreibt das Standardelektrodenpotential.

    Der zweite Summand beschreibt den Einfluss der Konzentration der Reaktionspartner auf das Elektrodenpotential.

    Wusstest du, dass die Begriffe Standardelektrodenpotential, Standardredoxpotential oder Normalpotential alles Synonyme für Standardpotential sind?

    Elektrochemische Prozesse können in galvanische Prozesse und elektrolytische Prozesse eingeteilt werden. Galvanische Prozesse laufen freiwillig ab. Hierbei wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Elektrolytische Prozesse sind erzwungen. Hierbei ist es möglich, die Redoxreaktion umzukehren, indem durch Anlegen einer äußeren Gleichspannung eine chemische Reaktion ausgelöst wird.

    In der folgenden Tabelle findest du alles auf einen Blick.

    Elektrochemische Prozesse
    galvanische Prozesseelektrolytische Prozesse
    freiwillige Reaktionenerzwungene Reaktionen
    Umwandlung von chemischer Energie in elektrischeUmwandlung von elektrischer Energie in chemische
    Beispiel: BrennstoffzellenBeispiel: Raffination von Metallen

    Das Elektrodenpotential in der Elektrochemie

    Elektrochemische Reaktionen sind immer Reaktionen mit Elektronenübergang. Sie sind damit Spezialfälle von Redoxreaktionen. Das Elektrodenpotential wird auch Redoxpotential genannt. Es ist ein Maß für das Oxidations- bzw. Reduktionsvermögen eines Redoxsystems. Etwas einfacher gesagt, gibt das Elektrodenpotential an, welche elektrische Spannung eine Elektrode liefern kann oder welche Spannung benötigt wird, um einen bestimmten Zustand aufrechtzuerhalten.

    Elektrochemie Abbildung Elektrodenpotential StudySmarter

    Abbildung 1: Elektrodenpotential

    Sobald sich eine Metallelektrode und eine Elektrolytlösung berühren, bildet sich eine elektrochemische Doppelschicht aus. Zwischen Lösevorgang und Abscheidevorgang von Metall-Ionen bildet sich ein Gleichgewicht und das Elektrodenpotential entsteht.

    Beachte, dass jedes Metall ein spezifisches Elektrodenpotential besitzt.

    Damit die einzelnen Potentiale berechnet werden können, entwickelte man die Standard-Wasserstoff-Zelle (Normal-Wasserstoff-Elektrode NHE) und definierte deren Potential als Nullpunkt.

    Eine Elektrode ist ein elektrischer Leiter, der im direkten Kontakt mit einem Elektrolyten steht. An der Elektrode erfolgt der Übergang von Ladungsträgern (Elektronen oder Ionen) zwischen der festen Phase und dem Elektrolyten.

    Als Elektrolyte bezeichnet man Stoffe, in denen der Stromtransport durch wandernde Ionen erfolgt. Du unterscheidest zwischen:

    • Echten Elektrolyten: Diese enthalten bereits im festen Zustand Ionen. Darunter zählen die meisten Metallhydroxide und alle Salze. Sie leiten den Strom in wässrigen Lösungen und in der Schmelze.
    • Potentiellen Elektrolyte: Sie liegen in reinem Zustand, nicht in der ionischen Form vor. Erst durch die Reaktion mit einem Lösungsmittel werden die Ionen gebildet. Hierzu gehören Säuren (z. B. Salzsäure) und einige Basen (z. B. Ammoniak).
    • Starken Elektrolyten: Diese sind gelöste Elektrolyte, die vollständig in Ionen gespaltet wurden. Beispiele sind alle echten Elektrolyte und viele potentielle Elektrolyte wie Chlorwasserstoff.
    • Schwachen Elektrolyten: Sie trennen sich nur zum Teil in Lösungen auf. Schwache Elektrolyte sind organische Basen (z. B. Anilin) und Säuren (z. B. Essigsäure) sowie einige Schwermetallsalze (z. B. Calciumsulfat).

    Elektrochemische Spannungsreihe

    Die Wasserstoffelektrode gilt als ein wichtiger Bezugspunkt für Messungen in der Elektrochemie und der physikalischen Chemie. Mit ihr war es nun möglich, eine Reihe aufzustellen – die elektrochemische Spannungsreihe.

    Die elektrochemische Spannungsreihe ist eine Auflistung von Redox-Paaren nach ihrem Standardelektrodenpotential. Etwas einfacher gesagt, kannst du aus der Spannungsreihe das Redoxverhalten eines Elements ablesen.

    Als Redox-Paar wird in der Elektrochemie die Kombination einer reduzierten und einer oxidierten Form desselben Elements bezeichnet. Du findest solche Paare bei der Verwendung in galvanischen Zellen zur Stromerzeugung.

    Die unten aufgelisteten Elemente sind sowohl in ihrer oxidierten, als auch reduzierten Form dargestellt. Wenn du also von links nach rechts liest, findest du ein Element in seiner oxidierten Form, dann werden ein oder mehrere Elektronen addiert, darauf folgt ein Reaktionspfeil und zum Schluss die reduzierte Form – meist die elementare Form.

    oxidierte Form+n e-Reaktionspfeilreduzierte FormStandardpotential
    F2+2e-2F-+2,87 V
    Cu2++2e-Cu+0,35 V
    2H++2e-H20 V
    Zn2++2e-Zn-0,76 V
    Li++1e-Li-3,04 V

    Diese Spannungen können in einer galvanischen Zelle gemessen werden. Wichtig hierbei ist jedoch, dass der andere Teil aus einer Wasserstoff-Halbzelle besteht.

    Mehr dazu findest du im StudySmarter Original "Galvanische Zelle".

    Lass dich von den negativen Werten in der Spalte beim Standardpotential nicht irritieren. Diese sagen lediglich aus, in welche Richtung die Elektronen fließen. Bei positiven Vorzeichen fließen die Elektronen von der Wasserstoff-Halbzelle weg und bei negativen Vorzeichen zu ihr hin.

    Metalle mit einem negativen Standardpotential lassen sich leicht oxidieren. Man bezeichnet sie als unedle Metalle. Metalle mit einem positiven Standardpotential lassen sich schwerer oxidieren bzw. elektrochemisch auflösen. Man bezeichnet sie als edle Metalle. Unedlere Metalle werden von Metall-Ionen edlerer Metalle oxidiert.

    Anode & Kathode

    Bei elektrochemischen Prozessen sind immer Oxidations- und Reduktionsvorgänge kombiniert. Sie laufen jedoch getrennt in den Halbzellen ab. Eine Anode ist eine Elektrode, an der die Oxidation stattfindet. Wenn die Reaktion freiwillig abläuft, ist die Anode eine negative Elektrode. Wenn die Reaktion unfreiwillig abläuft, ist die Anode eine positive Elektrode.

    Eine Kathode ist immer die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet. Die Kathode kann sowohl eine positive als auch eine negative Elektrode sein. Das ist abhängig davon, welche Reaktion abläuft. Läuft die Reaktion freiwillig ab, ist die Kathode eine negative Elektrode. Läuft die Reaktion unfreiwillig ab, ist die Kathode eine positive Elektrode.

    Du solltest wissen, dass ein direkter Übergang von Elektronen zwischen Atomen, Ionen oder Molekülen kein elektrochemischer Vorgang ist.

    Elektrochemie - Das Wichtigste

    • Elektrochemie ist die Wissenschaft von den Zusammenhängen zwischen elektrischen Vorgängen und chemischen Reaktionen.
    • Das Standardelektrodenpotential ist eine thermodynamische Größe, die vom Elektrodenmaterial abhängt und sich mit der Temperatur und dem Drück ändert.
    • Elektrochemische Prozesse können in galvanische & elektrolytische Prozesse eingeteilt werden.
    • Das Elektrodenpotential gibt an, welche elektrische Spannung eine Elektrode liefern kann oder welche Spannung benötigt wird, um einen bestimmten Zustand aufrechtzuerhalten.
    • Elektronische Spannungsreihe ist eine Auflistung von Redox-Paaren.
    • Anode ist eine Elektrode, die Elektronen abgibt (Oxidation).
    • Kathode ist eine Elektrode, die Elektronen aufnimmt (Reduktion).
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Elektrochemie

    Was sagt das Elektrodenpotential aus?

    Das Elektrodenpotential gibt an, welche elektrische Spannung eine Elektrode liefern kann oder welche Spannung benötigt wird, um einen bestimmten Zustand aufrecht zu erhalten. 

    Was versteht man unter Standardpotential?

    Das Standardelektrodenpotential ist eine thermodynamische Größe, die vom Elektrodenmaterial abhängt und sich mit der Temperatur und dem Drück ändert. 

    Was versteht man unter elektrochemischer Spannungsreihe?

    Die elektronische Spannungsreihe ist eine Auflistung von Redox-Paaren. Aus der Spannungsreihe kann man das Redoxverhalten eines Elements ablesen. 

    Was ist die Anode und Kathode?

    Eine Anode ist eine Elektrode, die Elektronen abgibt (Oxidation). 

    Eine Kathode ist eine Elektrode, die Elektronen aufnimmt (Reduktion).

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    Bei der Elektrolyse von Wasser entsteht unter anderem reiner Sauerstoff. Entsteht dieser durch Reduktion oder Oxidation? 

    Bei der Elektrolyse von Wasser handelt es sich um eine ... Reaktion. 

    Welcher Bestandteil der Standard-Wasserstoff-Halbzelle stimmt nicht?

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