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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.