Galvanische Zellen und Elektrolyse – Standardelektrodenpotenziale
ChemieElektrochemieAlter 17–18Virtuelles Labor
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Als Nächstes in Elektrochemie
Modus galvanische Zelle: Zwei Metallelektroden tauchen in Lösungen ihrer eigenen Salze und sind über einen Draht und eine Salzbrücke verbunden; Elektronen fließen durch den Draht von der Anode (dem Metall mit dem niedrigeren E°, das oxidiert wird und sich auflöst) zur Kathode (deren Ionen reduziert werden und sich abscheiden), und das Voltmeter zeigt die Standardzellspannung E°Zelle = E°(+) − E°(−) aus der Spannungsreihe. Modus Elektrolyse: Eine Gleichspannungsquelle treibt Elektronen zur Kathode; Ionen wandern zu den Elektroden, und je nach Lösung entstehen Cu, H₂, O₂, Cl₂ oder Na, wobei die Produktmasse m = M·I·t/(n·F) folgt. Die Ansicht ΔG, K & Nernst ergänzt ΔG° = −nFE°Zelle und K = e^(nFE°/RT) für jede Zelle, Konzentrationsregler für beide Halbzellen, sodass E der Nernst-Gleichung folgt, ein Diagramm von E gegen log Q und eine Cu–Cu-Konzentrationszelle. Der Tab Zersetzungsspannung fährt die Spannung von 0 bis 4 V durch, zeichnet die Strom-Spannungs-Kurve auf, legt eine Gerade an, um die Zersetzungsspannung zu finden, und vergleicht sie mit dem theoretischen Wert aus E°; die Überspannung ändert sich mit der Elektrode (Platin, Graphit) und dem Produkt.
Lektion: Standardelektrodenpotenziale, galvanische Zellen; Elektrolyse von Lösungen und Salzschmelzen; Nernst-Gleichung und ΔG° = −nFE°; Zersetzungsspannung und Überspannung
Was sie zeigt
Zwei entgegengesetzte Vorgänge werden nebeneinander gezeigt. In einer galvanischen Zelle wandelt eine freiwillig ablaufende Redoxreaktion chemische Energie in elektrische Energie um: Das Metall mit dem niedrigeren Standardelektrodenpotenzial wird oxidiert, und die Zellspannung ist die Differenz der beiden E°-Werte. Die Ansicht ΔG, K & Nernst verknüpft E°Zelle mit ΔG° = −nFE° und der Gleichgewichtskonstante K und zeigt, wie E sinkt, wenn der Reaktionsquotient Q steigt, bis E im Gleichgewicht null ist. Die Elektrolyse arbeitet umgekehrt und erzwingt mit elektrischer Energie eine nicht freiwillig ablaufende Reaktion; die Produkte hängen davon ab, welche Teilchen sich am leichtesten reduzieren und oxidieren lassen. Der Tab Zersetzungsspannung zeigt, dass fast kein Strom fließt, bis die Spannung den theoretischen Wert plus Überspannung übersteigt; diese ist groß für O₂ und für H₂ an Graphit, klein für abgeschiedene Metalle und Cl₂.
So funktioniert es
Gehen Sie im Modus Galvanische Zelle die Optionen unter Elektrodenpaar durch und lassen Sie die Voltmeteranzeige aus den E°-Werten vorhersagen. Klicken Sie auf ΔG, K & Nernst, verschieben Sie die beiden Konzentrationsregler, klicken Sie mehrmals auf Punkt notieren und prüfen Sie, ob die Punkte auf einer Geraden mit der Steigung −0,0592/n liegen; probieren Sie danach die Cu–Cu-Konzentrationszelle. Klicken Sie auf Zur Elektrolyse, probieren Sie jeden Elektrolyt aus und ändern Sie die Stromstärke, um die Produktmasse zu vergleichen. Wählen Sie im Tab Zersetzungsspannung eine Lösung und eine Elektrode, klicken Sie auf Durchfahren 0–4 V, dann auf Gerade anlegen, und vergleichen Sie den Messwert mit dem theoretischen Wert.
Einstellbare Parameter
- Modus Galvanische Zelle, Elektrolyse, Zersetzungsspannung
- Elektrodenpaar (galvanische Zelle) Zn–Cu, Mg–Cu, Fe–Cu, Zn–Ag, Cu–Ag, Zn–Fe, Al–Cu, Cu–Cu (Konzentrationszelle)
- Elektrolyt (Elektrolyse) CuSO₄-Lösung, inerte Elektroden, CuSO₄-Lösung, Cu-Anode (Raffination/Verkupfern), NaCl-Lösung, mit Diaphragma, NaCl-Schmelze
- Stromstärke 0,5–5 A
- Animationsgeschwindigkeit 0,5–3 ×
- Ansicht der Zelle Standardzelle (E°), ΔG, K und Nernst-Gleichung
- Metallionen-Konzentration, linke Halbzelle (Nernst) 0,0001–2 mol/L
- Metallionen-Konzentration, rechte Halbzelle (Nernst) 0,0001–2 mol/L
- Lösung (Zersetzungsspannung) HCl 1 mol/L, H₂SO₄, [H⁺] = 1 mol/L, CuSO₄ 1 mol/L, [H⁺] = 1 mol/L, ZnCl₂ 1 mol/L
- Elektrode (Zersetzungsspannung) Platin, Graphit
- Angelegte Spannung 0–4 V
Fragen zum Erkunden
- Welches Elektrodenpaar liefert die größte Zellspannung, und wie lässt sich das aus den Standardelektrodenpotenzialen vorhersagen?
- Findet am Minuspol einer galvanischen Zelle eine Oxidation oder eine Reduktion statt, und wie ändert sich seine Masse?
- Warum entsteht bei der Elektrolyse einer NaCl-Schmelze Natrium, bei der Elektrolyse einer NaCl-Lösung jedoch nicht?
- Wie weit liegt die gemessene Zersetzungsspannung von H₂SO₄ an Platin über dem theoretischen Wert, und was ändert sich an Graphit?
