67Redoxreaktionen – Elektrochemie B5 Schematische Darstellung von elektrischen Doppelschichten bei den Redoxpaaren Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e– und Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e–. Man kann die elektrische Doppelschicht als Mini-Plattenkondensator auffassen. Die unterschiedliche Aufladung der Metalle erklärt das Auftreten der Potenzialdifferenz. Bei der Kombination der Redoxpaare Zn/Zn2+ und Cu/Cu2+ werden Elektronen von Zink-Atomen zu Kupfer-Ionen übertragen. In einer geeigneten Versuchsanordnung lässt sich dieser Elektronen übergang als elektrischer Strom nachweisen. Dies gelingt, wenn die beiden Redoxpaare und damit die Oxidation und die Reduktion räumlich getrennt und der Elektronenübergang über einen Metalldraht als Elektronenleiter ermöglicht ist. Dazu gibt man ein Kupferblech in ein Gefäß mit einer Kupfersulfat-Lösung und ein Zinkblech in ein Gefäß mit einer Zinksulfat-Lösung. Die beiden Metalle verbindet man über einen Draht (Elektronenleiter). Um den Stromkreis zu schließen, werden die Lösungen über einen Ionenleiter verbunden. Dieser Ionenleiter, eine Elektrolytbrücke oder eine poröse (semipermeable) Wand, ermöglicht einen Ladungsaustausch durch Ionenwanderung zwischen den beiden Reaktionssystemen, verhindert aber eine rasche Durchmischung der Lösungen (B6). Mit einer solchen Versuchsanordnung wird eine galvanische Zelle aufgebaut, die aus zwei Halbzellen besteht. Dieses spezielle galvanische Element aus den konjugierten Redoxpaaren Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e– und Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e– nennt man auch Daniell-Element1. Die beiden Redoxpaare bilden die Halbzellen dieses galvanischen Elements. Verbindet man die Zink-Elektrode und die Kupfer-Elektrode miteinander, so fließen Elektronen vom Zink zum Kupfer. Dieser Elektronenfluss lässt sich mithilfe eines Strommessgerätes nachweisen. Damit ein Strom fließen kann, muss zwischen den Elektroden eine Poten zial differenz, eine Spannung, herrschen. Man misst eine Spannung von U = 1,1 Volt (V2, V3). Wie kommt die Potenzialdifferenz zustande? Bei V1 sieht man, dass die Metalle Kupfer und Zink sich unterschiedlich gut in ihrer Umgebung gelöst haben (B1). Aus beiden Metallblechen gehen entsprechende Metall-Ionen in Lösung und hinterlassen im Metall Elektro nen. Es bilden sich elektrische Doppelschichten aus (B5). Da die Zink-Atome eine größere Tendenz haben, als Ionen in Lösung zu ge hen als Kupfer-Atome, entsteht eine Potenzialdifferenz, die man beim Verbinden beider Metalle als Spannung messen kann. Im Zinkblech herrscht gegenüber dem Kupferblech ein Elektronenüberschuss, sodass die Zink-Halbzelle als Donator-Halbzelle und die KupferHalbzelle als Akzeptor-Halbzelle fungiert. Beim Betrieb des Daniell-Elements werden daher Zink-Atome im Zinkblech oxidiert und Kupfer-Ionen in der Kupfersulfat-Lösung reduziert. Die Elektronen können aber nur von der Zink-Halbzelle zur Kupfer-Halbzelle fließen, wenn gleichzeitig zwischen den Halbzellen Ionen wandern, die einen Ladungsaustausch ermöglichen und so den Strom kreis schließen (B6). Das Daniell-Element1 Fachbegriffe Daniell-Element, Akzeptor-, Donator-Halbzelle, Elektrolyt, Potenzialdifferenz, galvanische Zelle, elek trische Doppelschicht, Elektronenleiter, Ionenleiter Zn2+ Zn2+ Zn2+ Zn2+ Zn2+ Zn2+ Zn2+ Zn2+ Zn2+ Zn2+ Cu2+ Cu2+ Cu2+ Cu2+ Cu2+ Cu2+e – e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– e– 1 nach John Frederic Daniell (1790 bis 1845), Professor für Chemie am King’s College in London B6 Schematische Darstellung der Vorgänge im Daniell-Element. A: Erklären Sie, warum nach längerem Betrieb der Zelle die Konzentration an Zink-Ionen zuund die an KupferIonen abnimmt. Zn (s) e– e– Zn2+ (aq) Zn2+ (aq) SO2 – (aq) Cu2+ (aq) e – e– Cu(s) 4 Zn (s) e– e– Zn2+ (aq) Zn2+ (aq) SO2 – (aq) Cu2+ (aq) e – e– Cu(s) 4 3377_01_01_2012_Kap2_058_123 23.09.14 06:26 Seite 67 Nu r P rü fzw ec ke Ei ge nt um d es C .C . B uc hn er V rla gs