Grundlagen der Elektrochemischen Zellen und Redoxreaktionen

Die elektrochemischen Prozesse in Redoxreaktionen in sauren und alkalischen Lösungen lassen sich am besten anhand von Elektrolyse- und galvanischen Zellen verstehen. Bei diesen Systemen finden Oxidation und Reduktion räumlich getrennt statt, was zu unterschiedlichen elektrochemischen Vorgängen führt.

Definition: Eine Elektrolysezelle wandelt elektrische Energie in chemische Energie um, während eine galvanische Zelle chemische in elektrische Energie umwandelt.

Die Funktionsweise beider Zellentypen basiert auf der unterschiedlichen Elektronenabgabebereitschaft verschiedener Metalle. Unedle Metalle geben ihre Elektronen leicht ab, während edle Metalle ihre Elektronen stärker festhalten. Diese Eigenschaft bestimmt die Rolle der Metalle als Elektroden in den Zellen.

Ein galvanisches Element besteht aus zwei Halbzellen, die durch ein semipermeables Diaphragma getrennt sind. In jeder Halbzelle befindet sich eine Elektrolytlösung mit beweglichen Ionen und eine Elektrode. Die Anode ist der Ort der Oxidation, während an der Kathode die Reduktion stattfindet.

Highlight: Bei galvanischen Elementen gilt:

• Anode = Minuspol (Oxidation)
• Kathode = Pluspol (Reduktion)
• Elektronenfluss erfolgt von der Anode zur Kathode

Das Daniell-Element als Beispiel einer Galvanischen Zelle

Das Daniell-Element demonstriert die praktische Anwendung elektrochemischer Prinzipien. Es besteht aus einer Zinkelektrode in Zinksulfatlösung und einer Kupferelektrode in Kupfersulfatlösung.

Beispiel: Reaktionsgleichungen im Daniell-Element:

• Oxidation (Anode): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
• Reduktion (Kathode): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
• Gesamtreaktion: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Bei Aktivierung des Elements gehen Zinkatome als Ionen in Lösung, wobei Elektronen auf der Zinkelektrode zurückbleiben. Diese negative Aufladung erzeugt den Minuspol. An der Kupferelektrode werden Kupferionen reduziert, wodurch sich diese positiv auflädt und den Pluspol bildet.

Die entstehende Potentialdifferenz führt bei geschlossenem Stromkreis zu einem Elektronenfluss von der Zink- zur Kupferelektrode. Dieser Prozess setzt sich fort, bis entweder die Zinkelektrode aufgebraucht oder alle Kupferionen reduziert sind.

Galvanische Elemente und Potentialmessungen

Die Bestimmung von Standardpotentialen erfolgt durch den systematischen Aufbau galvanischer Elemente mit der Standardwasserstoffelektrode als Referenz. Die Zellspannung ΔE° ergibt sich aus der Differenz der Standardpotentiale von Kathode und Anode.

Beispiel: Bei einem galvanischen Element aus Zink und der Standardwasserstoffelektrode beträgt das Standardpotential E°(Zn/Zn2+) = -0,76V. Für ein Kupfer-Wasserstoff-Element liegt E°(Cu/Cu2+) bei +0,34V.

Die Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Disproportionierung von Redoxreaktionen zeigt, wie wichtig die präzise Messung der Potentialdifferenzen ist. Die Kenntnis der Standardpotentiale ermöglicht Vorhersagen über die Spontanität elektrochemischer Reaktionen und deren Reaktionsrichtung.

Die Anwendung dieser Prinzipien findet sich in vielen technischen Bereichen, von der Entwicklung moderner Batteriesysteme bis hin zur elektrochemischen Analytik. Das Verständnis der Standardpotentiale und ihrer Messung bildet die Grundlage für die gezielte Nutzung elektrochemischer Prozesse in Industrie und Forschung.