Grundlagen der Redoxreaktionen und Elektrochemie

Redoxreaktionen bilden die Grundlage für viele elektrochemische Prozesse. Diese Reaktionen beinhalten den Transfer von Elektronen zwischen verschiedenen chemischen Spezies.

Definition: Eine Redoxreaktion ist eine Elektronenübertragungsreaktion, bei der ein Stoff Elektronen abgibt (Oxidation) und ein anderer Stoff Elektronen aufnimmt (Reduktion).

Die wichtigsten Begriffe im Zusammenhang mit Redoxreaktionen sind:

• Reduktion: Aufnahme von Elektronen
• Oxidation: Abgabe von Elektronen
• Elektronendonatoren: Teilchen, die Elektronen abgeben
• Elektronenakzeptoren: Teilchen, die Elektronen aufnehmen
• Reduktionsmittel (Red): Stoff, dessen Teilchen Elektronen abgeben
• Oxidationsmittel (Ox): Stoff, dessen Teilchen Elektronen aufnehmen

Highlight: Die allgemeine Redoxgleichung lautet: Reduktion: Ox₁ + ze⁻ → Red₁ Oxidation: Red₂ → Ox₂ + ze⁻ Gesamtreaktion: Ox₁ + Red₂ → Red₁ + Ox₂

Die Redoxreihe der Metalle spielt eine entscheidende Rolle in der Elektrochemie. Sie ordnet die Metalle nach ihrem edlen Charakter und ihrer Tendenz, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen.

Example: In der Redoxreihe der Metalle stehen unedle Metalle wie Lithium und Magnesium am Anfang, während edle Metalle wie Silber und Gold am Ende stehen.

Diese Reihenfolge ist entscheidend für das Verständnis von galvanischen Zellen und deren Funktionsweise.

Daniell-Element und Zelldiagramme

Das Daniell-Element ist ein klassisches Beispiel für eine galvanische Zelle. Es besteht aus einer Zink-Halbzelle (Minuspol) und einer Kupfer-Halbzelle (Pluspol).

Example: Im Daniell-Element wird Zink oxidiert und gibt Elektronen ab, während Kupferionen reduziert werden und Elektronen aufnehmen.

Die Reaktionen in den Halbzellen lauten:

• Donatorhalbzelle (Minuspol): Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻
• Akzeptorhalbzelle (Pluspol): Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)

Beide Halbzellen sind über einen Ionenleiter miteinander verbunden, der den Ladungsausgleich ermöglicht.

Vocabulary: Ein Zelldiagramm ist eine vereinfachte Darstellung einer galvanischen Zelle. Für das Daniell-Element lautet es: Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s)

Die Zellspannung des Daniell-Elements beträgt etwa 1,1 V. Diese Spannung resultiert aus der Differenz der Elektrodenpotentiale der beteiligten Metalle.

Highlight: Je unedler ein Metall ist, desto kleiner ist sein Standardelektrodenpotential und desto eher liegt es in der oxidierten Form vor. Edle Metalle haben ein größeres Standardelektrodenpotential und liegen eher in der reduzierten Form vor.

Die Standard-Wasserstoffelektrode dient als Referenz für die Messung von Elektrodenpotentialen. Sie besteht aus einem platinierten Platinblech in einer wässrigen Lösung mit einer Standardkonzentration an H⁺-Ionen, umspült von Wasserstoffgas unter Standarddruck.