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Elektrochemie Grundlagen: Beispiele, Begriffe, Spannungsreihe, Galvanische Zelle und Elektrolyse

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Jackie

17.4.2021

Chemie

Elektrochemie: Elektrolyse, Galvanisches Element, Akku, Batterie

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Chemie

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Redoxgleichgewichte

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Elektrolyse und elektrochemische energiequellen

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Zersetzungsspannung bei der elektrolyse

Elektrochemie Grundlagen: Beispiele, Begriffe, Spannungsreihe, Galvanische Zelle und Elektrolyse

Die Elektrochemie Grundlagen umfassen Redoxreaktionen, galvanische Zellen und Elektrolyse. Redoxreaktionen beinhalten den Elektronentransfer zwischen Oxidations- und Reduktionsmitteln. Galvanische Zellen wandeln chemische in elektrische Energie um, während Elektrolyse den umgekehrten Prozess darstellt. Wichtige Konzepte sind die elektrochemische Spannungsreihe, die elektrochemische Doppelschicht und verschiedene Arten von elektrochemischen Zellen wie Batterien, Akkus und Brennstoffzellen.

• Redoxreaktionen sind die Grundlage der Elektrochemie
• Galvanische Zellen erzeugen Strom durch spontane Redoxreaktionen
• Elektrolyse nutzt Strom, um nicht-spontane Reaktionen anzutreiben
• Die elektrochemische Spannungsreihe hilft bei der Vorhersage von Reaktionen
• Batterien, Akkus und Brennstoffzellen sind wichtige Anwendungen

...

17.4.2021

6461

Elektrochemie Redoxreaktionen Elektronen übertragung /austausch: • Elektromendonator gibt Elektronen ab + wird axidiert (editionel) (Oxidati

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Elektrolyse und Elektrochemische Doppelschicht

Dieses Kapitel befasst sich mit dem Prozess der Elektrolyse und dem Konzept der elektrochemischen Doppelschicht. Es werden die Unterschiede zwischen einer Elektrolysezelle und einer galvanischen Zelle erläutert.

Die Elektrolyse wird als erzwungene Reaktion beschrieben, bei der elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird. Im Gegensatz dazu wandelt eine galvanische Zelle chemische Energie freiwillig in elektrische Energie um.

Beispiel: Bei der Elektrolyse von Zinkbromid wird an der Kathode Zink reduziert und an der Anode Brom oxidiert.

Das Konzept der elektrochemischen Doppelschicht wird eingeführt, welches die Ladungsverteilung an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt beschreibt.

Definition: Die elektrochemische Doppelschicht besteht aus zwei parallelen Ladungsschichten an der Grenzfläche zwischen Metall und Lösung.

Es wird erklärt, wie diese Doppelschicht zustande kommt, wenn ein Metall in eine Lösung seiner Ionen eintaucht. Je nach Gleichgewichtslage der Reaktion entsteht im Metall ein Elektronenüberschuss oder -mangel.

Highlight: Die elektrochemische Doppelschicht spielt eine wichtige Rolle bei vielen elektrochemischen Prozessen und beeinflusst die Kinetik von Elektrodenreaktionen.

Das Kapitel schließt mit einer detaillierten Beschreibung der Vorgänge in einer galvanischen Zelle, einschließlich der Elektronenwanderung und des Ladungsausgleichs zwischen den Halbzellen.

Elektrochemie Redoxreaktionen Elektronen übertragung /austausch: • Elektromendonator gibt Elektronen ab + wird axidiert (editionel) (Oxidati

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Batterien, Akkus und Brennstoffzellen

Dieses Kapitel behandelt verschiedene Arten von elektrochemischen Zellen: Batterien (Primärzellen), Akkus (Sekundärzellen) und Brennstoffzellen. Es werden die Unterschiede und Funktionsweisen dieser Energiespeicher und -wandler erläutert.

Primärzellen oder Batterien werden als galvanische Zellen beschrieben, die nur entladen, aber nicht wieder aufgeladen werden können. Die Zellreaktion ist hier nicht umkehrbar.

Definition: Sekundärzellen oder Akkus sind galvanische Zellen mit umkehrbarer Zellreaktion, die mehrfach entladen und wieder aufgeladen werden können.

Brennstoffzellen werden als spezielle Art von Primärzellen vorgestellt, bei denen die Reaktanden kontinuierlich zugeführt und an Elektroden mit Katalysatorwirkung elektrochemisch umgesetzt werden.

Beispiel: Eine detaillierte Beschreibung einer Blei-Akku-Zelle wird gegeben, einschließlich der Reaktionen an Anode und Kathode.

Das Kapitel geht auf die spezifischen Reaktionen in einem Blei-Akku ein, einschließlich der Oxidations- und Reduktionsprozesse an den Elektroden und der Gesamtredoxreaktion.

Highlight: Die Vielseitigkeit elektrochemischer Zellen ermöglicht eine breite Palette von Anwendungen in der Energiespeicherung und -umwandlung.

Abschließend wird die Bedeutung dieser verschiedenen Zelltypen für praktische Anwendungen in der Energietechnik und im Alltag hervorgehoben.

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Zersetzungsspannung bei der elektrolyse

 

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17. Apr. 2021

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Jackie

@jackiealicee

Die Elektrochemie Grundlagen umfassen Redoxreaktionen, galvanische Zellen und Elektrolyse. Redoxreaktionen beinhalten den Elektronentransfer zwischen Oxidations- und Reduktionsmitteln. Galvanische Zellen wandeln chemische in elektrische Energie um, während Elektrolyse den umgekehrten Prozess darstellt. Wichtige Konzepte sind die elektrochemische Spannungsreihe, die elektrochemische... Mehr anzeigen

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Elektrolyse und Elektrochemische Doppelschicht

Dieses Kapitel befasst sich mit dem Prozess der Elektrolyse und dem Konzept der elektrochemischen Doppelschicht. Es werden die Unterschiede zwischen einer Elektrolysezelle und einer galvanischen Zelle erläutert.

Die Elektrolyse wird als erzwungene Reaktion beschrieben, bei der elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird. Im Gegensatz dazu wandelt eine galvanische Zelle chemische Energie freiwillig in elektrische Energie um.

Beispiel: Bei der Elektrolyse von Zinkbromid wird an der Kathode Zink reduziert und an der Anode Brom oxidiert.

Das Konzept der elektrochemischen Doppelschicht wird eingeführt, welches die Ladungsverteilung an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt beschreibt.

Definition: Die elektrochemische Doppelschicht besteht aus zwei parallelen Ladungsschichten an der Grenzfläche zwischen Metall und Lösung.

Es wird erklärt, wie diese Doppelschicht zustande kommt, wenn ein Metall in eine Lösung seiner Ionen eintaucht. Je nach Gleichgewichtslage der Reaktion entsteht im Metall ein Elektronenüberschuss oder -mangel.

Highlight: Die elektrochemische Doppelschicht spielt eine wichtige Rolle bei vielen elektrochemischen Prozessen und beeinflusst die Kinetik von Elektrodenreaktionen.

Das Kapitel schließt mit einer detaillierten Beschreibung der Vorgänge in einer galvanischen Zelle, einschließlich der Elektronenwanderung und des Ladungsausgleichs zwischen den Halbzellen.

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Batterien, Akkus und Brennstoffzellen

Dieses Kapitel behandelt verschiedene Arten von elektrochemischen Zellen: Batterien (Primärzellen), Akkus (Sekundärzellen) und Brennstoffzellen. Es werden die Unterschiede und Funktionsweisen dieser Energiespeicher und -wandler erläutert.

Primärzellen oder Batterien werden als galvanische Zellen beschrieben, die nur entladen, aber nicht wieder aufgeladen werden können. Die Zellreaktion ist hier nicht umkehrbar.

Definition: Sekundärzellen oder Akkus sind galvanische Zellen mit umkehrbarer Zellreaktion, die mehrfach entladen und wieder aufgeladen werden können.

Brennstoffzellen werden als spezielle Art von Primärzellen vorgestellt, bei denen die Reaktanden kontinuierlich zugeführt und an Elektroden mit Katalysatorwirkung elektrochemisch umgesetzt werden.

Beispiel: Eine detaillierte Beschreibung einer Blei-Akku-Zelle wird gegeben, einschließlich der Reaktionen an Anode und Kathode.

Das Kapitel geht auf die spezifischen Reaktionen in einem Blei-Akku ein, einschließlich der Oxidations- und Reduktionsprozesse an den Elektroden und der Gesamtredoxreaktion.

Highlight: Die Vielseitigkeit elektrochemischer Zellen ermöglicht eine breite Palette von Anwendungen in der Energiespeicherung und -umwandlung.

Abschließend wird die Bedeutung dieser verschiedenen Zelltypen für praktische Anwendungen in der Energietechnik und im Alltag hervorgehoben.

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Grundlagen der Elektrochemie und Redoxreaktionen

Dieses Kapitel behandelt die fundamentalen Konzepte der Elektrochemie und Redoxreaktionen. Es erklärt den Elektronentransfer zwischen Oxidations- und Reduktionsmitteln sowie die Bestimmung von Oxidationszahlen.

Die Redoxreaktionen werden als Elektronenübertragung zwischen einem Elektronendonator (Oxidationsmittel) und einem Elektronenakzeptor (Reduktionsmittel) beschrieben. Dabei gibt der Donator Elektronen ab und wird oxidiert, während der Akzeptor Elektronen aufnimmt und reduziert wird.

Definition: Oxidation ist die Abgabe von Elektronen, während Reduktion die Aufnahme von Elektronen ist.

Für die Bestimmung der Oxidationszahlen werden wichtige Regeln aufgeführt, wie z.B. dass Elemente in reiner Form die Oxidationszahl 0 haben und die Summe aller Oxidationszahlen in einer Verbindung 0 sein muss.

Highlight: Die Kenntnis der Oxidationszahlen ist entscheidend für das Verständnis von Redoxreaktionen und elektrochemischen Prozessen.

Das Kapitel führt auch in das Konzept der galvanischen Zelle ein, die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Es wird der Aufbau einer galvanischen Zelle mit Anode (Oxidation) und Kathode (Reduktion) erklärt.

Beispiel: In einer Zink-Kupfer-Zelle wird Zink an der Anode oxidiert und Kupferionen werden an der Kathode reduziert.

Abschließend wird ein Vergleich zwischen Redoxreaktionen und Säure-Base-Reaktionen gezogen, wobei beide als Gleichgewichtsreaktionen beschrieben werden, die sich jedoch im Austausch von Elektronen bzw. Protonen unterscheiden.

Wir dachten, du würdest nie fragen...

Was ist die elektrochemische Spannungsreihe?

Die elektrochemische Spannungsreihe ist eine Tabelle, die Metalle nach ihrem Redoxpotential ordnet. Sie hilft dir zu verstehen, welches Metall leichter Elektronen abgibt und welches sie lieber aufnimmt. Metalle mit niedrigerem Redoxpotential haben eine höhere Lösungstension, also ein stärkeres Bestreben, in wässriger Lösung Ionen zu bilden und dabei Elektronen abzugeben.

Wie funktioniert eine galvanische Zelle?

Eine galvanische Zelle wandelt chemische Energie in elektrische um durch eine freiwillige Redoxreaktion. Im Aufbau der galvanischen Zelle findet an der Anode (Minuspol) die Oxidation statt, wobei ein Metall Elektronen abgibt. Diese Elektronen fließen durch den äußeren Stromkreis zur Kathode (Pluspol), wo die Reduktion stattfindet. Die Reaktionsgleichung beschreibt diesen Prozess, wie zum Beispiel bei einer Zink-Kupfer-Zelle: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (Oxidation) und Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (Reduktion).

Was ist der Unterschied zwischen Elektrolyse und galvanischer Zelle?

Der Hauptunterschied liegt in der Energierichtung: Bei der galvanischen Zelle läuft eine freiwillige Reaktion ab, die chemische Energie in elektrische umwandelt. Bei der Elektrolyse hingegen wird elektrische Energie zugeführt, um eine erzwungene chemische Reaktion auszulösen. Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen galvanischer Zelle und Elektrolyse betrifft die Pole: Bei der galvanischen Zelle ist die Anode negativ (OMA: Oxidation-Minuspol-Anode), während bei der Elektrolyse die Anode positiv ist (OPA: Oxidation-Pluspol-Anode).

Wie wird eine elektrochemische Doppelschicht gebildet?

Eine elektrochemische Doppelschicht entsteht, wenn ein Metall in eine Lösung seiner Ionen taucht. Je nach Gleichgewichtslage der Reaktion bildet sich im Metall ein Elektronenüberschuss oder -mangel. Diese Ladungen an der Metalloberfläche ziehen entgegengesetzt geladene Ionen aus der Lösung an. So bildet sich die elektrochemische Doppelschicht einfach erklärt als eine Anordnung aus zwei parallelen Ladungsschichten, wie es der Wissenschaftler Helmholtz bereits im 19. Jahrhundert beschrieben hat.

Weitere Quellen

  1. Elektrochemie: Grundlagen und Anwendungen von Gerhard Schwitzgebel, Klett Verlag 2019, Lehrbuch, Umfassende Einführung in die Elektrochemie mit verständlichen Erklärungen zur elektrochemischen Spannungsreihe und galvanischen Zellen - Link

  2. Elektrochemie verstehen: Von der Redoxreaktion zur Batterie von Michael Tausch, Cornelsen 2020, Lernheft, Schülerfreundliche Erklärung der Unterschiede zwischen Elektrolyse und galvanischen Zellen mit vielen Übungsaufgaben - Link

  3. Tafelwerk Chemie: Elektrochemische Spannungsreihe und Formeln von Stefan Bauer, Stark Verlag 2021, Nachschlagewerk, Enthält alle wichtigen Tabellen zur elektrochemischen Spannungsreihe und Formeln für Redoxreaktionen - Link

  4. Chemie heute: Elektrochemie einfach erklärt von Hans-Dieter Barke und Günther Harsch, Schroedel 2018, Fachbuch, Besonders gut für die Themen Daniell-Element, elektrochemische Doppelschicht und Batterien/Akkus geeignet - Link

Vertiefe dein Wissen

  1. Baue eine einfache Zitronenbatterie: Verbinde Kupfer- und Zinkelektroden in einer Zitrone und miss die entstehende Spannung mit einem Multimeter. Vergleiche deine Ergebnisse mit der elektrochemischen Spannungsreihe.

  2. Untersuche die Korrosion von verschiedenen Metallen: Tauche kleine Proben von Eisen, Aluminium, Kupfer und Zink in Salzwasser und beobachte über eine Woche, welche Metalle stärker korrodieren. Erkläre die Unterschiede anhand der Stellung in der elektrochemischen Spannungsreihe.

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