GRUNDW ISSEN 123Redoxreaktionen – Elektrochemie Elektrolyse Bei einer Elektrolyse werden Redoxreaktionen durch elektrische Energie erzwungen, die selbsttätig in umgekehrter Richtung ablaufen würden. Beispiel Elektrolyse von Zinkchlorid-Lösung (a): Batterien Batterien sind elektrochemische Energiequellen die nach dem Prinzip der galvanischen Zelle funktionieren, d.h. eine Oxidation und eine Reduktion laufen räumlich ge trennt ab. Beispiel Leclanché-Element: Oxidation: Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e– (Minuspol) Reduktion: 2 MnO2(s) + 2 H2O(l) + 2 e– (Pluspol) 2 MnO(OH)(s) + 2 OH–(aq) Zu den heute handelsüblichen Batterien zählen die Alkali-Mangan-Batterie, die Zink-Luft-Zelle, die Lithium-Mangan-Zelle und die Silberoxid-Zink-Zelle. Die Batterietypen unterscheiden sich nicht nur in Form und Größe, sondern auch in der stofflichen Zusammensetzung und daher auch in der Nennspannung, die sie liefern. Jeder Batterietyp ist für bestimmte Geräte besonders gut geeignet, beispielsweise die als Knopfzelle verfügbare Silberoxid-ZinkZelle für Armbanduhren. Akkumulatoren Akkumulatoren sind wiederaufladbare elektrochemische Energiequellen, in denen beim Laden und Entladen um kehrbare Reaktionen ablaufen. Beispiel Bleiakkumulator: Bei dem Bleiakkumulator eines Fahrzeugs laufen folgende reversible Elektrodenreaktionen ab: Schwefelsäure Blei(II)-sulfat geladen Blei Blei(IV)-oxid entladen Aufladen Entladen Faraday-Gesetze Der Zusammenhang zwischen der Stoffmenge n der Elektrolyseprodukte und der elektrischen Ladung Q, die bei der Elektrolyse geflossen ist, wird durch die FaradayGesetze beschrieben. Beispiel: Berechnung der abgeschiedenen Masse an Zink, wenn eine Zinkchlorid-Lösung 10 min bei 0,3 A elektro ly siert wird. Q = n(X) · z · F n(Zn) = = n(Zn) = = 9,3 ·10–4 mol m(Zn) = n(Zn) · M(Zn) = 9,3 · 10–4 mol · 65,4 g/mol m(Zn) = 0,061 g l · t z · F Q z · F 0,3 A · 600 s 2 · 96487 C/mol Q = n(X) · z · F oder I · t = n(X) · z · F Q: Ladung, das Produkt aus Stromstärke und Zeit (Q = I · t) n(X): Stoffmenge des Elektrolyseproduktes z: Anzahl der Elektronen, die zur Bildung eines Teilchens X aufgenommen oder abgegeben werden F: Faraday-Konstante, F = 96 487 C/mol Minuspol: Zn2+(aq) + 2 e– Zn(s) Pluspol: 2 Cl–(aq) Cl2(g) + 2 e– Nach Abbruch der Elektrolyse misst man eine Spannung von U = 2,12 V zwischen den Elektroden (b). Es ist eine Zink-Chlor-Zelle entstanden, in der die ablaufende Zellreaktion die Umkehrung der Elektrolysereaktion ist. ZinkchloridLösung c = 1 mol/L a) b) Zn ZnCl2 Cl2 Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(aq) + 2 SO42–(aq) 2 PbSO4(s) + 2 H2O(l) 0 IV IIEntladen Aufladen 3377_01_01_2012_Kap2_058_123 23.09.14 06:27 Seite 123 Nu r z P rü fzw ec ke n Ei ge nt um d es C .C . B uc hn er V rla gs