Die Grundlagen der Elektrochemie und Redoxreaktionen

Die Redoxreaktion ist ein fundamentaler Prozess in der Elektrochemie, bei dem Elektronen zwischen verschiedenen chemischen Stoffen übertragen werden. Das Donator-Akzeptor-Prinzip spielt hierbei eine zentrale Rolle. Bei der Oxidation gibt ein Stoff Elektronen ab (Elektronendonator), während bei der Reduktion ein anderer Stoff Elektronen aufnimmt (Elektronenakzeptor).

Definition: Eine Redoxreaktion ist ein chemischer Prozess, bei dem gleichzeitig eine Oxidation und eine Reduktion stattfinden. Der Elektronendonator wird dabei oxidiert, während der Elektronenakzeptor reduziert wird.

Die Metallionen spielen in Redoxreaktionen eine wichtige Rolle und weisen charakteristische Ladungen auf. Metalle der ersten Hauptgruppe tragen eine einfach positive Ladung (1+), der zweiten Hauptgruppe eine zweifach positive (2+) und der dritten Hauptgruppe eine dreifach positive Ladung (3+). Im Gegensatz dazu sind Nichtmetallionen negativ geladen: Die fünfte Hauptgruppe trägt eine dreifach negative (3-), die sechste eine zweifach negative (2-) und die siebte Hauptgruppe eine einfach negative Ladung (1-).

Merke: Das Donator-Akzeptor-Prinzip beschreibt nicht nur Redoxreaktionen, sondern findet sich auch in anderen chemischen Prozessen wieder, bei denen Teilchen von einem Reaktionspartner auf einen anderen übertragen werden.

Die Galvanische Zelle und Konzentrationselemente

Die Galvanische Zelle Funktion basiert auf dem Prinzip der Konzentrationselemente, bei denen zwei gleichartige Halbzellen mit unterschiedlichen Elektrolytkonzentrationen verwendet werden. Ein klassisches Beispiel ist die Silber-Konzentrationszelle, die aus zwei Silberelektroden in Silbernitratlösungen unterschiedlicher Konzentration besteht.

Definition: Konzentrationselemente sind galvanische Zellen mit zwei gleichartigen Halbzellen, die sich nur in der Konzentration ihrer Elektrolytlösungen unterscheiden.

In der Halbzelle mit der niedrigeren Silberionenkonzentration findet die Oxidation statt. Dies geschieht, weil nach dem Prinzip des kleinsten Zwanges von Le Chatelier das Gleichgewicht in die Richtung verschoben wird, in der der entzogene Stoff nachgebildet wird. Die Spannung verhält sich dabei proportional zum Logarithmus des Konzentrationsverhältnisses.

Die Galvanische Zelle Spannung berechnen erfolgt nach der Formel U = 0,059/z · log(c₁/c₂), wobei z die Anzahl der übertragenen Elektronen und c₁/c₂ das Konzentrationsverhältnis der Elektrolytlösungen darstellt. Diese mathematische Beziehung ist fundamental für das Verständnis der Funktionsweise von Konzentrationselementen.

Überpotenziale und Überspannungen

Das Donator-Akzeptor-Prinzip Säure-Base findet auch in der Elektrochemie Anwendung, besonders bei der Betrachtung von Überpotentialen. Diese können an der Anode positive Werte annehmen und Stoffe "edler" machen, während sie an der Kathode negative Werte haben und Stoffe "unedler" machen.

Beispiel: Bei der Elektrolyse von Salzsäure an Platinelektroden treten verschiedene Überpotentiale auf, die das Abscheidungspotential beeinflussen.

Das Abscheidungspotential EA setzt sich aus dem Standardpotential E° und dem Überpotential EÜ zusammen: EA = E° + EÜ. Diese Beziehung ist entscheidend für die praktische Durchführung von Elektrolysen.

Die Überspannung stellt die zusätzlich benötigte Spannung dar, die über die berechnete Polarisationsspannung hinausgeht. Sie ist besonders relevant bei der Gasentwicklung an Elektroden und hängt stark vom Elektrodenmaterial ab.