Elektrochemie LK NRW: Daniell-Element & Galvanische Zelle einfach erklärt

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Olivia :)

4.4.2023

Chemie

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Fächer

Chemie

Redoxgleichgewichte

Elektrolyse und elektrochemische energiequellen

Zersetzungsspannung bei der elektrolyse

Elektrochemie LK NRW: Daniell-Element & Galvanische Zelle einfach erklärt

The Daniell-Element and electrochemical processes are fundamental concepts in chemistry, explaining how chemical energy converts to electrical energy and vice versa. This comprehensive guide covers galvanic cells, concentration elements, batteries, and electrochemical processes including reduction, electrolysis, and corrosion. Key topics include the construction and operation of the Daniell-Element, calculation of cell voltages, and various practical applications in batteries and accumulators.

The Daniell-Element Aufbau consists of zinc and copper electrodes in their respective sulfate solutions
Galvanische Zelle Spannung calculations involve understanding electrode potentials and concentration effects
Practical applications include various battery types and industrial processes
Elektrochemische Spannungsreihe helps predict spontaneous redox reactions
Corrosion protection and industrial electrolysis demonstrate real-world applications

4.4.2023

Aufbau Daniell-Element:
Zinkstab
(Anode)-
Zinksulfat-
Lösung
(Elektrolyt)
++20²0
SO₂2
(M)
Diaphragma
-Motor
(√²+
←sa₂²
+00+
+00
+O O
OO
Cu²0

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Spannung Galvanischer Zellen und Berechnung

Die Spannung einer galvanischen Zelle, auch Zellspannung genannt, ergibt sich aus der Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode. Sie kann unter Standardbedingungen wie folgt berechnet werden:

ΔE = E° $Kathode$ - E° $Anode$

Example: Für ein Daniell-Element $Zn/Zn²⁺//Cu²⁺/Cu$ beträgt die Standardzellspannung: ΔE = 0,34 V - $-0,76 V$ = 1,1 V

Für Bedingungen außerhalb des Standardzustands wird die Nernst-Gleichung verwendet:

E = E° + 0,059 V · lg $Ox$ / $Red$

Highlight: Die Nernst-Gleichung ermöglicht die Berechnung der Zellspannung unter verschiedenen Konzentrationsbedingungen.

Die elektrochemische Spannungsreihe gibt einen Überblick über die Standardpotentiale verschiedener Redoxpaare. Sie hilft bei der Vorhersage, ob eine Redoxreaktion spontan abläuft.

Vocabulary: Die Bergab-Regel besagt, dass das in der Spannungsreihe höher stehende Reduktionsmittel immer das tiefer stehende Oxidationsmittel reduziert.

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Voltasäule und ihre Bedeutung

Die Voltasäule, entwickelt von Alessandro Volta im 19. Jahrhundert, war ein Vorläufer der modernen Batterie. Sie besteht aus gestapelten Voltaelementen, die jeweils aus Zink- und Kupferplatten bestehen, getrennt durch elektrolytgetränkte Pappstücke oder Leder.

Definition: Die Voltasäule ist eine frühe Form der elektrochemischen Zelle, die durch Stapelung mehrerer Elemente eine höhere Spannung erzeugt.

Funktionsweise der Voltasäule:

Am Minuspol findet die Oxidation des unedleren Metalls $Zink$ statt.
Am Pluspol erfolgt die Reduktion, entweder von Kupferionen oder Luftsauerstoff.

Highlight: Die Voltasäule ermöglichte erstmals die kontinuierliche Erzeugung von elektrischem Strom und war entscheidend für die Erforschung der Elektrizität.

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Konzentrationselemente und ihre Besonderheiten

Konzentrationselemente sind galvanische Zellen, bei denen beide Halbzellen aus dem gleichen Metall und der gleichen Elektrolytlösung bestehen, jedoch in unterschiedlichen Konzentrationen.

Definition: Ein Konzentrationselement nutzt den Konzentrationsunterschied eines Elektrolyten in zwei Halbzellen zur Stromerzeugung.

Aufbau eines typischen Konzentrationselements:

Zwei Zinkelektroden
Zwei Zinksulfat-Lösungen unterschiedlicher Konzentration
Getrennt durch ein Diaphragma

Die Funktionsweise basiert auf dem Prinzip von Le Chatelier:

Auf der Seite mit der niedrigeren Konzentration gehen mehr Metallatome in Lösung.
Dies führt zu einem Elektronenfluss von der Seite mit der höheren zur Seite mit der niedrigeren Konzentration.

Highlight: Konzentrationselemente demonstrieren, wie Konzentrationsunterschiede in elektrochemische Energie umgewandelt werden können.

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Battery Types

This page details various battery designs, including zinc-carbon, zinc-air, and lithium batteries.

Highlight: Each battery type has specific advantages and applications:

Zinc-carbon batteries are cost-effective for low-power devices
Zinc-air batteries offer high energy density
Lithium batteries provide superior performance

Vocabulary: Separator mass refers to the material keeping the battery's components apart while allowing ion flow.

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Reduction Processes

The fifth page focuses on the blast furnace process for steel production from iron ore and carbon.

Example: The blast furnace process occurs in distinct temperature zones:

Drying zone $200°C$
Reduction zone $400°C$
Carburization zone $1200°C$
Melting zone $2000°C$

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Electrolysis

This page explains Daniell-Element Elektrolyse, the reverse process of galvanic cells.

Definition: Electrolysis converts electrical energy into chemical energy by forcing non-spontaneous redox reactions.

Highlight: Unlike galvanic cells, in electrolysis:

Anode is positive $oxidation occurs$
Cathode is negative $reduction occurs$

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Faraday's Laws

The seventh page covers Faraday's laws of electrolysis and related calculations.

Definition: Faraday's constant $F = 96,485 A·s·mol⁻¹$ represents the charge required to deposit one mole of singly-charged ions.

Example: The laws can be used to calculate required current, time, or mass in electrolysis processes.

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Accumulator Types

This page describes various rechargeable battery types including nickel-metal hydride, lithium-ion, and lead-acid accumulators.

Vocabulary: An accumulator is a rechargeable energy storage device that can be repeatedly charged and discharged.

Highlight: Each accumulator type has specific chemical reactions during charging and discharging cycles.

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Die App ist sehr einfach und gut gestaltet. Bis jetzt habe ich immer alles gefunden, was ich gesucht habe :D

Lena, iOS Userin

Ich liebe diese App ❤️, ich benutze sie eigentlich immer, wenn ich lerne.

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4. Apr. 2023

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Elektrochemie LK NRW: Daniell-Element & Galvanische Zelle einfach erklärt

Olivia :)

@trinitrotoluol

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Spannung Galvanischer Zellen und Berechnung

Die Spannung einer galvanischen Zelle, auch Zellspannung genannt, ergibt sich aus der Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode. Sie kann unter Standardbedingungen wie folgt berechnet werden:

ΔE = E° $Kathode$ - E° $Anode$

Example: Für ein Daniell-Element $Zn/Zn²⁺//Cu²⁺/Cu$ beträgt die Standardzellspannung: ΔE = 0,34 V - $-0,76 V$ = 1,1 V

Für Bedingungen außerhalb des Standardzustands wird die Nernst-Gleichung verwendet:

E = E° + 0,059 V · lg $Ox$ / $Red$

Highlight: Die Nernst-Gleichung ermöglicht die Berechnung der Zellspannung unter verschiedenen Konzentrationsbedingungen.

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Voltasäule und ihre Bedeutung

Definition: Die Voltasäule ist eine frühe Form der elektrochemischen Zelle, die durch Stapelung mehrerer Elemente eine höhere Spannung erzeugt.

Funktionsweise der Voltasäule:

Am Minuspol findet die Oxidation des unedleren Metalls $Zink$ statt.
Am Pluspol erfolgt die Reduktion, entweder von Kupferionen oder Luftsauerstoff.

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Konzentrationselemente und ihre Besonderheiten

Konzentrationselemente sind galvanische Zellen, bei denen beide Halbzellen aus dem gleichen Metall und der gleichen Elektrolytlösung bestehen, jedoch in unterschiedlichen Konzentrationen.

Definition: Ein Konzentrationselement nutzt den Konzentrationsunterschied eines Elektrolyten in zwei Halbzellen zur Stromerzeugung.

Aufbau eines typischen Konzentrationselements:

Zwei Zinkelektroden
Zwei Zinksulfat-Lösungen unterschiedlicher Konzentration
Getrennt durch ein Diaphragma

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Electrolysis

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Aufbau und Funktionsweise des Daniell-Elements

Das Daniell-Element ist ein klassisches Beispiel für eine galvanische Zelle. Es besteht aus zwei Halbzellen: einer Zink-Halbzelle $Anode$ und einer Kupfer-Halbzelle $Kathode$ . Diese sind durch ein Diaphragma voneinander getrennt.

Definition: Ein Daniell-Element ist eine elektrochemische Zelle, die aus einer Zink-Anode in Zinksulfat-Lösung und einer Kupfer-Kathode in Kupfersulfat-Lösung besteht.

Die Funktionsweise basiert auf dem Prinzip der Redoxreaktion:

An der Anode lösen sich Zink-Atome als Zn²⁺-Ionen, wobei Elektronen freigesetzt werden.
Diese Elektronen fließen über einen externen Leiter zur Kathode.
An der Kathode werden Cu²⁺-Ionen zu elementarem Kupfer reduziert.

Highlight: Die Anode fungiert als Elektronen-Donator, während die Kathode als Elektronen-Akzeptor dient.

Um das entstehende Ladungsgefälle auszugleichen, wandern Ionen durch das Diaphragma zwischen den Halbzellen.

Vocabulary: Die elektrochemische Doppelschicht ist der Bereich zwischen Metall und Lösung, in dem sich positive und negative Ladungsträger ansammeln.

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Die App ist sehr leicht und gut gestaltet. Habe bis jetzt alles gefunden, nachdem ich gesucht habe und aus den Präsentationen echt viel lernen können! Die App werde ich auf jeden Fall für eine Klassenarbeit verwenden! Und als eigene Inspiration hilft sie natürlich auch sehr.

Stefan S

iOS user

Diese App ist wirklich echt super. Es gibt so viele Lernzettel und Hilfen, […]. Mein Problemfach ist zum Beispiel Französisch und die App hat mega viel Auswahl für Hilfe. Dank dieser App habe ich mich in Französisch verbessert. Ich würde diese jedem weiterempfehlen.

Samantha Klich

Android user

Wow ich bin wirklich komplett baff. Habe die App nur mal so ausprobiert, weil ich es schon oft in der Werbung gesehen habe und war absolut geschockt. Diese App ist DIE HILFE, die man sich für die Schule wünscht und vor allem werden so viele Sachen angeboten, wie z.B. Ausarbeitungen und Merkblätter, welche mir persönlich SEHR weitergeholfen haben.

Anna

iOS user

Ich finde Knowunity so grandios. Ich lerne wirklich für alles damit. Es gibt so viele verschiedene Lernzettel, die sehr gut erklärt sind!

Jana V

iOS user

Ich liebe diese App sie hilft mir vor jeder Arbeit kann Aufgaben kontrollieren sowie lösen und ist wirklich vielfältig verwendbar. Man kann mit diesem Fuchs auch normal reden so wie Probleme im echten Leben besprechen und er hilft einem. Wirklich sehr gut diese App kann ich nur weiter empfehlen, gerade für Menschen die etwas länger brauchen etwas zu verstehen!

Lena M

Android user

Ich finde Knowunity ist eine super App. Für die Schule ist sie ideal , wegen den Lernzetteln, Quizen und dem AI. Das gute an AI ist , dass er nicht direkt nur die Lösung ausspuckt sondern einen Weg zeigt wie man darauf kommt. Manchmal gibt er einem auch nur einen Tipp damit man selbst darauf kommt . Mir hilft Knowunity persönlich sehr viel und ich kann sie nur weiterempfehlen ☺️

Timo S

iOS user

Die App ist einfach super! Ich muss nur in die Suchleiste mein Thema eintragen und ich checke es sehr schnell. Ich muss nicht mehr 10 YouTube Videos gucken, um etwas zu verstehen und somit spare ich mir meine Zeit. Einfach zu empfehlen!!

Sudenaz Ocak

Android user

Diese App hat mich echt verbessert! In der Schule war ich richtig schlecht in Mathe und dank der App kann ich besser Mathe! Ich bin so dankbar, dass ihr die App gemacht habt.

Greenlight Bonnie

Android user

Ich benutze Knowunity schon sehr lange und meine Noten haben sich verbessert die App hilft mir bei Mathe,Englisch u.s.w. Ich bekomme Hilfe wenn ich sie brauche und bekomme sogar Glückwünsche für meine Arbeit Deswegen von mir 5 Sterne🫶🏼

Julia S

Android user

Also die App hat mir echt in super vielen Fächern geholfen! Ich hatte in der Mathe Arbeit davor eine 3+ und habe nur durch den School GPT und die Lernzettek auf der App eine 1-3 in Mathe geschafft…Ich bin Mega glücklich darüber also ja wircklich eine super App zum lernen und es spart sehr viel Heit dass man mehr Freizeit hat!

Marcus B

iOS user

Mit dieser App hab ich bessere Noten bekommen. Bessere Lernzettel gekriegt. Ich habe die App benutzt, als ich die Fächer nicht ganz verstanden habe,diese App ist ein würcklich GameChanger für die Schule, Hausaufgaben

Sarah L

Android user

Hatte noch nie so viel Spaß beim Lernen und der School Bot macht super Aufschriebe die man Herunterladen kann total Übersichtlich und Lehreich. Bin begeistert.

Hans T

iOS user

Stefan S

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Samantha Klich

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Anna

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Ich finde Knowunity so grandios. Ich lerne wirklich für alles damit. Es gibt so viele verschiedene Lernzettel, die sehr gut erklärt sind!

Jana V

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Lena M

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Timo S

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Sudenaz Ocak

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Diese App hat mich echt verbessert! In der Schule war ich richtig schlecht in Mathe und dank der App kann ich besser Mathe! Ich bin so dankbar, dass ihr die App gemacht habt.

Greenlight Bonnie

Android user

Julia S

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Marcus B

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Sarah L

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Hatte noch nie so viel Spaß beim Lernen und der School Bot macht super Aufschriebe die man Herunterladen kann total Übersichtlich und Lehreich. Bin begeistert.

Hans T

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Voltasäule und ihre Bedeutung

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Ich liebe diese App so sehr, ich benutze sie auch täglich. Ich empfehle Knowunity jedem!! Ich bin damit von einer 4 auf eine 1 gekommen :D

Die App ist sehr einfach und gut gestaltet. Bis jetzt habe ich immer alles gefunden, was ich gesucht habe :D

Ich liebe diese App ❤️, ich benutze sie eigentlich immer, wenn ich lerne.

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