Date post: | 05-Apr-2015 |
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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