107Redoxreaktionen – Elektrochemie B4 Der englische Physikochemiker Michael Faraday (1791–1867) führte die Begriffe Ion, Anion, Kation, Anode, Kathode, Elektrode und Elektrolyse ein. B5 Faraday-Gesetze Elektrischer Strom lässt sich nutzen, um energiereiche Stoffe zu gewinnen. So erhält man beispielsweise durch die Elektrolyse von Wasser Wasserstoff für Brennstoffzellen (vgl. S. 105). Bei dieser Elektrolyse beobachtet man an den Elektroden eine Gasbildung, es entstehen Wasserstoff und Sauerstoff: Minuspol (Reduktion):2 H3O+(aq)+ 2 e– H2(g)+ 2 H2O(l) |·2 Pluspol (Oxidation): 6 H2O(l) O2(g) + 4 e– + 4 H3O+(aq) Gesamtreaktion: 2 H2O 2 H2(g) + O2(g) Bei der Elektrolyse von Wasser im Hofmann’schen Zersetzungsapparat stellt man fest, dass bei gleicher Stromstärke ein doppelt so großes Volumen an Wasserstoff wie an Sauerstoff entsteht. Weiterhin zeigen die Ergebnisse von V1, dass die elektrolytisch abgeschiedenen Stoffmengen an Wasserstoff und Sauerstoff proportional zur Stromstärke und Zeit zunehmen. Das Produkt aus Stromstärke und Zeit nennt man Ladung Q (B3). Die Proportionalität zwischen abgeschiedener Stoffmenge und der durch den Stromkreis geflossenen Ladung ist im 1. Faraday-Gesetz (B5) formuliert. Die Stoffmenge an elektrolytisch abgeschiedenem Wasserstoff ist doppelt so groß wie die Stoffmenge an Sauerstoff, wenn durch die Lösung die gleiche Ladung geflossen ist. Dies lässt sich mithilfe der Reaktionsgleichungen erklären: Zur Abscheidung eines Wasserstoff-Moleküls werden 2 Elektronen aufgenommen (benötigt), während bei der Bildung eines Sauerstoff-Moleküls 4 Elektronen abgegeben werden. Die Stoffmenge der elektrolytisch abgeschiedenen Stoffe ist also abhängig von der Anzahl der an der Kathode (Minuspol) aufgenommenen bzw. an der Anode (Pluspol) abgegebenen Elektronen. Dieser Zusammenhang ist im 2. Faraday-Gesetz formuliert. Aus den experimentellen Ergebnissen lässt sich beispielsweise auch ermitteln, welche Ladung zur Reduktion von 1 mol Oxonium-Ionen nötig ist. Bei genauen Messungen erhält man die Ladung Q = 96487 C. Diese Größe wird als Faraday-Konstante F = 96487 C/mol bezeichnet. Aufgaben A1 Berechnen Sie die Ladungen, die bei V1 geflossen sind. A2 Ermitteln Sie die Ladung, die bei V1 zur Abscheidung von 0,5 mol Wasserstoff (Reduktion von 1 mol Oxonium-Ionen) geflossen ist und vergleichen Sie diesen Wert mit der Faraday-Konstante. A3 Die Einheit der elektrischen Stromstärke liegt dann vor, wenn aus einer Silbernitrat-Lösung in einer Sekunde 1,118 g Silber abgeschieden werden. Bestätigen Sie diese Aussage anhand einer Berechnung. Elektrolyse und Faraday-Gesetze Fachbegriffe Ladung, Faraday-Gesetze, Faraday-Konstante 1. Faraday-Gesetz Die elektrolytisch abgeschiedene Stoffmenge n eines Stoffes X ist der durch den Stromkreis geflossenen Ladung Q proportional: n(X) ~ l · t oder n(X) ~ Q. 2. Faraday-Gesetz Die Ladung Q, die zur Abscheidung einer bestimmten Stoffmenge n eines Stoffes X benötigt wird, ist proportional zu der Anzahl an Elektronen, die für die Bildung des Teilchens X aufgenommen oder abgegeben werden: Q ~ n (X) · z. Die Faraday-Gesetze lassen sich unter Einbeziehung der Faraday-Konstante zusammenfassen: Q = n(X) z · F oder n(X) = Q/z · F. 3377_01_01_2012_Kap2_058_123 23.09.14 06:27 Seite 107 Nu r z u Pr fzw ec ke n Ei ge nt um d es C .C . B uc hn r V er la gs