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greta-boehler
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Ausgewählte Ausgewählte Experimente der Experimente der ElektrochemieElektrochemie
Sara MettenSara Metten
GliederungGliederung1. Begriffsklärung1. Begriffsklärung2. Grundlagen2. Grundlagen3. Galvanische Zellen3. Galvanische Zellen
PrimärelementPrimärelement SekundärelementSekundärelement
4. Elektrolysezelle4. Elektrolysezelle5. Einsatz in Alltag und Technik5. Einsatz in Alltag und Technik6. Lehrplan6. Lehrplan7. Didaktische Aspekte7. Didaktische Aspekte
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Elektrochemie
Umwandlung chemischer in elektrische Energie
Elektrolyse
IonenwanderungKorrosion
Begriffsklärung
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
BegriffsklärungBegriffsklärung Teilgebiet der physikalischen ChemieTeilgebiet der physikalischen Chemie gegenseitige Umwandlung von gegenseitige Umwandlung von
chemischer in elektrischer Energiechemischer in elektrischer Energie Umfasst folgende Vorgänge:Umfasst folgende Vorgänge:
Wanderung von Elektronen und Wanderung von Elektronen und IonenIonen
Ausbildung von elektrochemischen Ausbildung von elektrochemischen PotentialenPotentialen
Begriffsklärung
Demo 1
Spannungsreihe
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
SpannungsreiheSpannungsreihe
Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e
Cu2+(aq) + 2 e Cu(s)
Fe(s) + Cu2+(aq) Fe2+
(aq) + Cu(s)
Cu(s) + 2 Ag+(aq)
Cu2+(aq) + 2 Ag(s)
--
Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e-
2 Ag+(aq) + 2 e Ag(s)
-
Grundlagen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Folgernde SpannungsreiheFolgernde Spannungsreihe
Ag/Ag+
Cu/Cu2+
Fe/Fe2+
Starke Reduktionsmittel
Starke Oxidationsmittel
Grundlagen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Elektrochemische Elektrochemische SpannungsreiheSpannungsreihe
Einordnung der Salze nach der Größe Einordnung der Salze nach der Größe ihrer Potentialdifferenz, die sich an der ihrer Potentialdifferenz, die sich an der Phasengrenze der Elemente ergibtPhasengrenze der Elemente ergibt
je unedler ein Metall um so:je unedler ein Metall um so: negativer sein Potentialnegativer sein Potential schneller oxidiert esschneller oxidiert es stärker wirkt es als Reduktionsmittelstärker wirkt es als Reduktionsmittel stärker reagiert es mit Säuren und stärker reagiert es mit Säuren und
WasserWasser
Grundlagen
Demo 2
Ionenwanderung
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
IonenwanderungIonenwanderung Permanganat Ionen wandern zur AnodePermanganat Ionen wandern zur Anode beim Anlegen eines Stroms bewegen sich beim Anlegen eines Stroms bewegen sich
Ionen im elektrischen Feld Ionen im elektrischen Feld wandern gemäß ihrer formalen Ladungwandern gemäß ihrer formalen Ladung in flüssigen Lösungen nicht Elektronen in flüssigen Lösungen nicht Elektronen
sondern Ionen Ladungsträgersondern Ionen Ladungsträger
Grundlagen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Elektrochemische ZellenElektrochemische Zellen bestehen aus zwei Leitern (Elektroden)bestehen aus zwei Leitern (Elektroden) diese müssen mit einem elektrisch diese müssen mit einem elektrisch
leitenden Medium (Elektrolyten) in leitenden Medium (Elektrolyten) in Kontakt stehenKontakt stehen
Zwei unterschiedliche Typen:Zwei unterschiedliche Typen: Galvanische ZelleGalvanische Zelle ElektrolysezelleElektrolysezelle
Grundlagen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Zelltyp Elektr. Anschluss
Elektroden-bezeichnun
g
Reaktions-typ
Galvanische Zelle
Minuspol
Pluspol
Anode
Kathode
Oxidation
Reduktion
Elektrolyse-zelle
Minuspol
Pluspol
Kathode
Anode
Reduktion
Oxidation
Grundlagen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Galvanische Galvanische ZelleZelle
benannt nach Luigi Galvanibenannt nach Luigi Galvani spontane chemische Reaktion wird zur spontane chemische Reaktion wird zur
Erzeugung des Stromes ausgenutztErzeugung des Stromes ausgenutzt besteht im einfachsten Fall aus zwei besteht im einfachsten Fall aus zwei
verschiedenen Metallenverschiedenen Metallen die elektrolytisch und metallisch die elektrolytisch und metallisch
leitend verbunden sindleitend verbunden sind
Galvanische Zellen
Versuch 1
Daniell-Element
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
-2+0Anode:Anode: ZnZn(s) (s) ZnZn(aq)(aq) + 2 e + 2 e
-2+ 0Kathode:Kathode:CuCu(aq)(aq) + 2 e Cu + 2 e Cu(s)(s)
ElektrodenreaktioneElektrodenreaktionenn
Gesamtreaktion:Gesamtreaktion:ZnZn(s)(s) + Cu + Cu(aq)(aq) Zn Zn(aq)(aq) + + CuCu(s)(s)
2+ 2+0 0
Galvanische Zellen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Elektrodenreaktionen im Elektrodenreaktionen im ÜberblickÜberblick
Galvanische Zellen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Elektromotorische Kraft (EMK)Elektromotorische Kraft (EMK) Potential einer galvanischen ZellePotential einer galvanischen Zelle je größer die Tendenz zum Ablaufen der je größer die Tendenz zum Ablaufen der
chemischen Reaktion, desto größer die chemischen Reaktion, desto größer die EMKEMK
ist abhängig von:ist abhängig von: beteiligten Substanzenbeteiligten Substanzen Konzentrationen der LösungenKonzentrationen der Lösungen TemperaturTemperatur
Galvanische Zellen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Berechnung der EMKBerechnung der EMKZn(s)/Zn2+
(aq) || Cu2+
(aq)/Cu(s)
red
ox0
ccln
FzTREE
Nernst Gleichung
Lmol1Lmol0,1ln
FzTREE 0
Zn/ZnZn/Zn 22
Lmol1Lmol0,1ln
FzTREE 0
Cu/CuCu/Cu 22
Galvanische Zellen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Berechnung der EMKBerechnung der EMK
Lmol0,1Lmol0,1ln
FzTREEE
EEE
0Zn/Zn
0Cu/Cu/CuCuZn/Zn
Zn/ZnCu/Cu/CuCuZn/Zn
2222
2222
00Zn/Zn
0Cu/Cu/CuCuZn/Zn 2222 EEE
V0,7628E
V0,3370E0Zn/Zn
0Cu/Cu
2
2
V1,10E/CuCuZn/Zn 22
Galvanische Zellen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Kommerziell genutzte Kommerziell genutzte ZellenZellen
PrimärelementPrimärelement nach Gebrauch nicht wieder nach Gebrauch nicht wieder
aufladbaraufladbar SekundärelementSekundärelement
wiederaufladbarwiederaufladbar
Galvanische Zellen
Versuch 2
Leclanché Element
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Gesamtreaktion:Zn(s) + 2 NH4Cl(aq) + 2 MnO2(s) [Zn(NH3)2Cl2](aq) + MnO(OH)(s)
ElektrodenreaktionenElektrodenreaktionenKathode:2 MnO2 (s) + 2 H(aq) + 2 e 2
MnO(OH)(s)
-++4 +3
Anode:Zn(s) + 2 NH4Cl(aq) [Zn(NH3)2Cl2](aq)+ 2 H (aq) + 2 e-
+0 +2
0 +2 +3+4
Galvanische Zellen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Elektrodenreaktionen im Elektrodenreaktionen im ÜberblickÜberblick
AnodeKathode
Galvanische Zellen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Alkali-Mangan-Alkali-Mangan-BatterieBatterie
ähnlich wie das ähnlich wie das Leclanché ElementLeclanché Element
enthalten NaOH oder enthalten NaOH oder KOH anstatt NHKOH anstatt NH44ClCl
längere Lebensdauerlängere Lebensdauer höhere Spannunghöhere Spannung teurerteurer
Galvanische Zellen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
SekundärelementSekundärelement wiederaufladbarwiederaufladbar Entladen:Entladen: Galvanische ZelleGalvanische Zelle Laden:Laden: ElektrolysezelleElektrolysezelle sorgfältig ausgewählte Elektrodensorgfältig ausgewählte Elektroden Produkte der Entladereaktion Produkte der Entladereaktion
müssen schwer löslich seinmüssen schwer löslich sein
Galvanische Zellen
Versuch 3
Bleiakkumulator
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Schwefelsäure 20%ig
4 H3O+ + 4 e- 2 H2 + 4 H2O
FormierungKathode Anode
Galvanische Zellen
BleiBlei
Blei(IV)oxid
+1 0
Pb(s) + 6 H2O(l) PbO2(s) + 4 e- + 4 H3O+ 0 +4
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Entladevorgang
Verbraucher
Galvanische Zellen
AnodeSO4
2-(aq) + Pb(s) PbSO4(s) + 2 e-
SO42-
(aq) + PbO2(s) + 2 e- + 4 H3O+(aq)
PbSO4(s) + 6 H2O(l)
Kathode0 +2
+2
+4
Bleisulfat
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Galvanische Zelle:Pb/Pb2+ || PbO2/Pb2+
Anode:PbSO4(s) + 2 e Pb(s) + SO4
2-(aq)
Laden
-
Kathode:PbSO4(s)+ 6 H2O PbO2(S) + SO4
2-(aq) + 2 e + 4
H3O(aq)
Laden
- +
Gesamtreaktion:2 PbSO4(s) + 2 H2O Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(aq)
Entladen
Laden
Galvanische Zellen
+4
0+2
+2
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Aufbau eines Bleiakkus (Autobatterie)
Galvanische Zellen
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
ElektrolyseElektrolyse Redoxreaktionen, die nicht Redoxreaktionen, die nicht
spontan ablaufenspontan ablaufen Unterschiede zur galvanischen Unterschiede zur galvanischen
Zelle:Zelle: 2 Elektroden im selben 2 Elektroden im selben
ElektrodenraumElektrodenraum nur einen Elektrolytennur einen Elektrolyten
Elektrolysezelle
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Prinzip der ElektrolysePrinzip der Elektrolyse mit elektrischem Strom eine Reaktion mit elektrischem Strom eine Reaktion
entgegen ihrer spontanen Richtung zu entgegen ihrer spontanen Richtung zu erzwingenerzwingen
größere Spannung anlegen, als größere Spannung anlegen, als Reaktion bei ihrer spontanen Richtung Reaktion bei ihrer spontanen Richtung liefertliefert
Entscheidend für die Produkte:Entscheidend für die Produkte: angelegte Spannungangelegte Spannung
Elektrolysezelle
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen Elektrolysezelle
Zelltyp Elektr. Anschluss
Elektroden-bezeichnun
g
Reaktions-typ
Elektrolyse-zelle
Pluspol
Minuspol
Anode
Kathode
Oxidation
Reduktion
Galvanische Zelle
Pluspol
Minuspol
Kathode
Anode
Reduktion
Oxidation
Versuch 4
Elektrolyse von Wasser
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Anode: 4 OH(aq) O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e
- -
Kathode: 4 H3O(aq) + 4 e 2 H2(g) + 4 H2O(l)-+
Elektrodenreaktionen
Gesamtreaktion:2 H2O(l) 2 H2(g) + O2(g)
Elektrolysezelle
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Auswertung des V/t Diagramms
t [Min.] Volumen H2 [mL]0 01 1,42 3,23 4,84 6,85 8,26 9,67 11,68 13,49 15,010 16,811 18,612 20,413 22,214 23,8
Enstandenes Volumen Diwasserstoff in Abhängigkeit der Zeit
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15
t [Min.]
V H 2
[mL]
I = 0,2 A
Elektrolysezelle
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
I [A] Volumen H2 [mL]0 0
0,1 1,40,2 3,20,3 5,30,4 7,20,45 8,3
Entstandenes Volumen Diwasserstoff in Abhängigkeit der Stromstärke
0246810
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
I [A]
V H
2 [m
L]
Auswertung des I/t Diagrammst = 2 min.
Elektrolysezelle
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Ergebnis der quantitativen Ergebnis der quantitativen ElektrolyseElektrolyse
Anhand der Versuche ist folgendes Anhand der Versuche ist folgendes gezeigt worden:gezeigt worden: V ~ t (I = konst.)V ~ t (I = konst.) V ~ I (t = konst.)V ~ I (t = konst.)
Volumina der abgeschiedenen Gase Volumina der abgeschiedenen Gase sind dem Produkt aus Stromstärke sind dem Produkt aus Stromstärke und Zeit proportionalund Zeit proportional V ~ I V ~ I · t bzw. V ~ Q· t bzw. V ~ Q
Elektrolysezelle
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Herleitung des 1. Faraday-Herleitung des 1. Faraday-GesetzesGesetzes
mit dem molaren Volumen Vmit dem molaren Volumen Vmm = V/n = V/n erhält man nerhält man n n ~ I n ~ I · t bzw. n ~ Q· t bzw. n ~ Q
z ist Anzahl der Elektronen, die für z ist Anzahl der Elektronen, die für die Abscheidung die Abscheidung eineseines Teilchens Teilchens übertragen werdenübertragen werden Q = I Q = I · t = N · e · z· t = N · e · z
Elektrolysezelle
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
mit N = n mit N = n · N· NA A
Q = N · e · z = n · NQ = N · e · z = n · NA A · e · z = n · F · z· e · z = n · F · z F = NF = NAA · e = 96485 C · mol · e = 96485 C · mol-1-1
um 1 Mol einfach geladener Ionen an einer um 1 Mol einfach geladener Ionen an einer Elektrode zu entladen braucht man:Elektrode zu entladen braucht man: Q = 1 mol Q = 1 mol · F = 96485 C· F = 96485 C
Herleitung des 1. Faraday-Herleitung des 1. Faraday-GesetzesGesetzes
FzQn
1. Faraday-Gesetz
Elektrolysezelle
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Herleitung des 2. Faraday-Herleitung des 2. Faraday-GesetzesGesetzes
Das Verhältnis der Stoffmengen nDas Verhältnis der Stoffmengen n11/n/n22 von Portionen verschiedener von Portionen verschiedener Elektrolyseprodukte, die durch die Elektrolyseprodukte, die durch die gleiche elektrische Ladung gleiche elektrische Ladung abgeschieden werden folgt aus:abgeschieden werden folgt aus:
Q = nQ = n11· z· z1 1 · F = n· F = n22 · z · z22 · F · F
2. Faraday-Gesetz1
2
2
1
zz
nn
Elektrolysezelle
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
2. Faraday-Gesetz2. Faraday-Gesetz
Anode: 4 OH(aq) O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e
- -
Kathode: 4 H3O(aq) + 4 e 2 H2(g) + 4 H2O(l)-+
n1= 2 mol H2 n2= 1 mol O2
z1= 2 Elektronenz2= 4 Elektronen
2. Faraday-Gesetz1
2
2
1
zz
nn
24
12
Elektrolysezelle
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
EinsatzgebieteEinsatzgebiete IndustrieIndustrie HaushaltHaushalt HandysHandys
Einsatz
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Lehrplan (G8)Lehrplan (G8)
10.1 Redoxreaktionen10.1 Redoxreaktionen Elektrochemische Elektrochemische
SpannungsquellenSpannungsquellen ElektrolyseElektrolyse
12.2 LK Elektrochemie (Wahlpflicht)12.2 LK Elektrochemie (Wahlpflicht) Nernst GleichungNernst Gleichung
Lehrplan
Begriffsklärung ElektrolysezelleGalvanische Zellen Einsatz Lehrplan Didakt. AspekteGrundlagen
Didaktische AspekteDidaktische Aspekte Fächerübergreifender UnterrichtFächerübergreifender Unterricht
PhysikPhysik Politik/WirtschaftPolitik/Wirtschaft
einfach durchführbare einfach durchführbare ExperimenteExperimente
hoher Alltagsbezughoher Alltagsbezug
Didakt. Aspekte
Vielen Dank für Ihre Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit !Aufmerksamkeit !