Zn

Zn2+

Zn2+

CuSO4

2SO4

2

Cu ZnZn

Cu2+

SO42

Cu in Zinksulfat-Lösung Zn in Kupfersulfat-Lösung

Zn

Zn2+

Zn2+

SO42

Cu

-Pol: ....................................... +Pol: ...............................................

+Pol

Motörchen

semipermeable Membran

Metalldraht

Elektrode

-Pol

Galvanisches Element - Stromfluss

Zn Zn2+ + 2e- Cu2+ + 2e- Cu

Anode Oxidation ReduktionKathode

e- e-

Zn2+

Zn2+

SO42-

Cu2+

Cu2+

SO42-

SO42-

SO42-

Zn Cu

Ag+Ag+

e e

NO3NO3

Ag+ NO3

Ag Ag

Ag+

Ag+

c(Ag+) = 0.001 mol . l-1 c(Ag+) = 0.1 mol . l-1

Oxidation Ag(s) Ag+(aq)+ e Ag+(aq) + e Ag(s) Reduktion Red1 Ox1 Ox2 Red2

c(mol/l) konst. 0.001 0.1 konst.

Konzentrationsabhängig-keit des Potenzials

Ag Ag+ + e

U = = (Akzeptor) - (Donator)

=

(Ox) (Ox)o + o +A D(Ag/Ag ) (Ag/Ag )(Re d) (Re d)A D

c c + 0.059V log ( + 0.059V log )

c c

Donator-Halbzelle Akzeptor-Halbzelle

(Ox)A

(Ox)D

cU 0.059V log

c

Standard-Standard-potenzialepotenziale

reduzierte Form oxidierte Form (Volt)Li Li+ + e -3.045 K K+ + e -2.92 Ba Ba2+ + 2e -2.90 Ca Ca2+ + 2e -2.76 Na Na+ + e -2.711 Mg Mg2+ + 2e -2.375 Al Al3+ + 3e -1.706 S2O4

2– + 4OH– 2SO32– + 2H2O + 2e -1.4

H2 + 2OH– 2H2O + 2e -0.84 Zn Zn2+ + 2e -0.763 Cr Cr3+ + 3e -0.74 S2 S + 2e -0.508 Fe Fe2+ + 2e -0.409 Cd Cd2+ + 2e -0.403 Co Co2+ + 2e -0.28 Ni Ni2+ + 2e -0.23 Sn Sn2+ + 2e -0.136 Pb Pb2+ + 2e -0.126 H2 2H+ + 2e 0 Cu Cu2+ + 2e 0.34 4 OH O2 + 2 H2O + 4e 0.401 2 I I2 + 2e 0.522 Fe2+ Fe3+ + e 0.77 Ag Ag+ + e 0.8 2 H2O 4 H+ + O2 + 4e 0.82 Hg Hg2+ + 2e 0.851 NO2 + H2O HNO3 + H+ + e 0.95 MnOOH MnO2 + H+ + e 1.014 2 Br Br2 + 2e 1.087 2 Cl– Cl2 + 2e 1.358 Au Au3+ + 3e 1.42 Pb2+ + 2 H2O PbO2 + 4 H+ + 2e 1.46 Mn2+ + 4 H2O MnO4

– + 8 H+ + 5e 1.491

2 H2O H2O2 + 2H+ + 2e 1.776 Pt Pt2+ + 2e 1.6 Co2+ Co3+ + e 1.8 Pb2+ Pb4+ + 2e 1.8 2 SO4

2– S2O82– + 2e 2.01

O2 + H2O O3 + 2H+ + 2e 2.07 2 F F2 + 2e 2.87

Taschenlampenbatterie – Leclanché-ElementTaschenlampenbatterie – Leclanché-Element+

Taschenlampenbatterie – Leclanché-Element

NH4+

Cl-Cl- NH4

+

NH4+

NH4+ Cl-

Cl-

+Pol

Kabel

-Pol

–Pol: Zn Zn2+ + 2e- +Pol: MnO2 + H+ + e- MnO(OH)

NH4+ + H2O NH3

+ H3O+

oder vereinfacht: NH4+ NH3

+ H+

Zn2+ + 2NH3 [Zn(NH3)2]2+

[Zn(NH3)2]2+ + 2Cl- [Zn(NH3)2]Cl2(s)

Sekundärreaktion:

Minsupol: 2 o 2 20.059(Zn / Zn ) (Zn / Zn ) + logc(Zn )

2

Pluspol: o2 2

0.059(MnOOH/MnO ,H ) (MnOOH/MnO ,H ) + logc(H )

1

U = o2

0.059(MnOOH/MnO ,H ) + logc(H )

1 – ( o 2 20.059

(Zn / Zn ) + logc(Zn )2

)

NH4+ + H2O NH3

+ H3O+

oder vereinfacht: NH4+ NH3

+ H+

Zn2+ + 2NH3 [Zn(NH3)2]2+

[Zn(NH3)2]2+ + 2Cl- [Zn(NH3)2]Cl2(s)

Sekundärreaktion:

–Pol: Zn Zn2+ + 2e-

c konst +Pol: MnO2 + H+ + e- MnO(OH)

c konst konst

2

2

2

0.059V 0.059VU 1.014V + logc(H ) ( 0.763V + logc(Zn ))

1 2

0.059V c (H ) 1.78V log

2 c(Zn )

vor Stromfluss

nach Stromfluss

nach Sekundärreaktion

- +

Blei-AkkuBlei-Akku

Blei

PbO2

Trennmembran

-Pol +Pol

Blei-Akku - StromerzeugungBlei-Akku - Stromerzeugung

Entladen Stromerzeugung, Elektronenfluss freiwillig

- Pol: Pb Pb2+ + 2e- + Pol: PbO2 + 4 H+ + 2 e- Pb2+ + 2 H2O

c(Pb2+) steigt, - wird grösser. c(H+) sinkt und c(Pb2+) steigt, + wird kleiner

o 2+ 20.059

(Pb/Pb ) + log c(Pb )2

4o 2+ +

2 2

0.059 c(H )(Pb ,PbO ,H ) + log

2 c(Pb )

- +

Folgereaktion: Pb2+ + SO42- PbSO4 (Reaktion umkehrbar)

-Pol: c(Pb2+) sinkt, - sinkt +Pol: c(Pb2+) steigt, + steigt Spannung wird grösser

vor Stromfluss

nach Stromfluss

+Pol

H+ H+

SO42-

H+ H+

SO42-

Pb

PbO2

-Pol

e-e-

Blei-Akku - AufladenBlei-Akku - Aufladen

Laden Elektrolyse, Stromverbrauch, Elektronenfluss erzwungen

PbSO4 Pb2+ + SO42-

-Pol: Pb2+ + 2e- Pb +Pol: Pb2+ + 2 H2O PbO2 + 4 H+ + 2 e-

2H+ + 2e- H2 2 H2O O2 + 4 H+ + 4e- Red Ox

Reaktion nicht freiwillig, Pb Pb2+ - 0.126

erzwungen durch Zufuhr von H2 2 H+ 0

elektrischer Energie 2 H2O O2 + 4 H+ + 0.82

Pb2+ PbO2 + 4 H+ + 1.46

H+ H+

SO42-

H+ H+

SO42-

- +

Pb

PbO2 H+ H+

SO42-

H+ H+

SO42-

e-e-

Grosse Stromstärke und SpannungGrosse Stromstärke und Spannung

+Pol

-Pol

grosse Stromstärke: - grosse Elektrodenfläche- mehrere Platten parallel geschaltet

grosse Spannung: - mehrere Zellen in Serie geschaltet

PbO2

Pb

-Pol

Blei-Akku- TemperaturabhängigkeitBlei-Akku- Temperaturabhängigkeit

Gegeben ist folgende elektrochemische Zelle:

Ag / 10 ml 0.01 M AgNO3-Lösung // 0.1 M AgNO3-Lösung / Ag

Zur linken Halbzelle gibt man 10 ml 0.01 M KCl-Lösung.

a) Wie gross ist die Zellspannung vor der Zugabe?

b) Wie ändert sich die Zellspannung nach der Zugabe?

c) Wie gross ist die Zellspannung nach der Zugabe?

a)

b) In der linken Halbzelle werden die Silberionen als AgCl gefällt. Dadurch sinkt cD(Ag+) bis auf den durch das Löslichkeitsprodukt gegebenen Wert .

AgCl Ag+ + Cl-

c 0.005-x 0.005 -x

Die Spannung steigt sprunghaft an, da cD(Ag+) nun ca. 10‘000 mal kleiner ist als

cA(Ag+)

c)

AA D

D

c (Ag ) 0.1U 0.059V log 0.059V log 0.059 V 59 mV

0.01c (Ag )

10 10 5 1L D DK c (Ag ) c(Cl ) 2 10 c (Ag ) 2 10 1.41 10 mol l

AA D 5

D

c (Ag ) 0.1U 0.059V log 0.059V log 0227 V 227 mV

c (Ag ) 1.41 10

pH-Messung

Platin ElektrodePlatin Elektrode

c(H+) unbekannt

Aufgabe:

Eine Konzentrationszelle besteht aus einer Standard-Wasserstoff-Halbzelle und einer Wasserstoffhalbzelle mit einer Elektrolyt-Lösung mit unbekannter Hydronium-Ionen-Konzentration. Berechne den pH-Wert von Lösungen, bei denen die folgenden Spannungen gemessen wurden:

a) 0.531 V b) 0.708 V c) 0.455 V

Bezugselektrode Elektrode mit unbekannter H+-Konzentration

H2(Pt) / H+ // H+ / H2(Pt)

c(mol . l-1) konst 1 x konst.

Pluspol Minuspol

= 0 = – 0.059 pH

Nernst-Gleichung:

o 22 2

0.059(H /H ) (H /H ) + logc (H ) 0 + 0.059 logc(H ) 0.059 pH

2

U = 0 – (–0.059 pH) = 0.059 pH U

pH0.059

Edukte Produkte Ladung

Stoffe KMnO4 C2H2O4 H2SO4 (H2O) violettes Salz starke Säure

Mn2+ CO2 (H2O) farblos

Ionen VII +III K+, MnO4

– C2H2O4 H+, SO4

2– (H2O) +II +IV

Mn2+ CO2 (H2O)

Oxidation 5 C2H2O4 5·2 CO2 + 5·2 e– + 5·2 H+ 0

Reduktion 2 MnO4– + 2·5 e– + 2·8 H+ 2·Mn2+ + 2·4 H2O +4

Redoxgl. Ionen

5 C2H2O4 + 2 MnO4– + 16 H+

5 C2H2O4 + 2 MnO4– + 6 H+

10 CO2 + 10 H+ + 2 Mn2+ + 8 H2O

10 CO2 + 2 Mn2+ + 8 H2O

+4

Redoxgl. Stoffe

5 C2H2O4 + 2 KMnO4 + 3 H2SO4 10 CO2 + 2·MnSO4

+ 8 H2O + K2SO4 0

Alle Edukte und Produkte notieren

Salze und starke Säuren in Ionen zerlegen

Oxidationszahlen ermitteln

Oxidation und Reduktion formulieren

Stoff- und Ladungsbilanz: ausgleichen mit H3O+, H2O in saurer Lösung

OH–, H2O in alkalischer Lösung H3O

+ oder OH–, H2O in neutraler Lösung Redoxgleichung mit Ionen formulieren

Redoxgleichung mit ganzen Stoffen formulieren