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Elektromotorische Kraft (EMK) und Elektrodenpotentiale

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Die Autor*innen
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André Otto
Elektromotorische Kraft (EMK) und Elektrodenpotentiale
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Elektromotorische Kraft (EMK) und Elektrodenpotentiale Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Elektromotorische Kraft (EMK) und Elektrodenpotentiale kannst du es wiederholen und üben.
  • Bestimme das Redox-Verhalten von Kupfer und Zink.

    Tipps

    Edle Metalle werden häufig für elektronische Bauteile verwendet.

    Lösung

    Kupfer ist ein edles, Zink ein unedles Metall. Daraus folgt auch die Verwendung der jeweiligen Metalle, so wird Kupfer zum Beispiel für Stromkabel verwendet.

    Zink als unedles Metall gibt Elektronen gemäß der Gleichung $Zn~\rightleftarrows~Zn^{2+}~+~2~e^-$ ab.

    Kupfer folgt der Gleichung: $Cu^{2+}+~2~e^-\rightleftarrows~Cu$

    Das im Video erwähnt galvanische Element wird übrigens Daniell-Element genannt.

  • Benenne das Daniell-Element mit den richtigen Fachbegriffen.

    Tipps

    Das edlere Element ist immer die Kathode.

    Lösung

    Jedes galvanische Element hat denselben Aufbau. Man hat zwei durch ein Diaphragma getrennte Elektroden, die jeweils in einer Lösung eines Salzes mit dem Element-Kationen stecken. Schließt man zwischen diese beiden Elektroden ein Voltmeter, so kann man eine Spannung ablesen - die Elektro-motorische-Kraft (EMK).

    Diese EMK ist keine Kraft im physikalischen Sinne, sondern eine Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten. In der Elektrochemie betrachten wir eine elektrische Potentialdifferenz, also eine Spannung. Daher wird die EMK auch als Urspannung bezeichnet.

    Bei jedem galvanischen Element fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode – oder anders gesagt vom unedlen zum edlen Metall.

  • Bestimme die Potentiale folgender galvanischer Elemente.

    Tipps

    Man subtrahiert immer das Potential der unedlen Elektrode von der edlen.

    Lösung

    Die elektromotorische Kraft, die sich zwischen zwei Halbzellen aufbaut, lässt sich errechnen, indem man die Normalpotentiale voneinander subtrahiert:

    $\Delta~E~=~E(Kathode)~-~E(Anode)$

    $\begin{array}{c|c|c|r} Kathode & Anode & E(Kathode)-E(Anode) & EMK\\ \hline\\ Ag & Fe & 0,8~V~-~(-0,41~V) &1,21~V\\ \hline\\ Pb & Cd & -0,13~V~-~(-0,4~V) & 0,27~V\\ \hline\\ Ag & Pb & 0,8~V~-~(-0,13~V) & 0,93~V\\ \hline\\ Cd & Fe & -0,4~V~-~(-0,41~V) & 0,01~V\\ \end{array}$

    Man sieht, dass sich eine besonders hohe Spannung aufbaut, wenn man ein sehr edles Metall mit einem sehr unedlen Metall kombiniert, wohingegen sich nur eine kleine Spannung aufbaut, wenn man zwei Metalle kombiniert, die ungefähr gleich edel sind.

  • Erkläre die Löslichkeit von Metallen in Gegenwart einer Säure mit Hilfe der Spannungsreihe.

    Tipps

    Säuren dissoziieren in Protonen und Anionen.

    Konzentrierte Salzsäure löst unedle Metalle auf und edle nicht.

    Reaktiver Bestandteil einer Säure ist das Proton.

    Lösung

    Viele Metalle lösen sich in konzentrierter Salzsäure unter Wasserstoff-Freisetzung auf. Dabei muss das Proton der Säure Elektronen vom Metall aufnehmen. Das funktioniert aber nur, wenn das Proton edler ist als das Metall. In unserer Spannungsreihe sind das alle Metalle, die ein negatives Standardpotential haben, z.B. Cadmium, Magnesium, Eisen, Zink etc. Alle diese Metalle lösen sich also in konzentrierter Salzsäure auf. Kupfer hat ein positives Standardpotential, ist also edler als das Proton, deshalb vermag es die Salzsäure nicht, Kupfer zu lösen.

  • Beschreibe Aufbau und Funktion einer galvanischen Zelle.

    Tipps

    Damit sich eine Potentialdifferenz aufbaut, benötigt man zwei miteinander verbundene Metalle.

    Lösung

    Der elektrische Strom besteht aus sich bewegenden Elektronen. Benötigt man Strom, um zum Beispiel seinen Computer zu betreiben, hat man zwei Möglichkeiten: Entweder man schließt ihn an die Steckdose an oder man betreibt ihn über einen Akku. Ein Akku ist ein galvanisches Element. Jedes galvanische Element besteht aus zwei Halbzellen, welche unterschiedlich edel sind. Je größer der Unterschied zwischen dem edlen und dem unedleren Metall ist, desto größer ist die Potentialdifferenz. Bei einem galvanischen Element wandern die Elektroden immer von der Anode zur Kathode - also vom Minuspol zum Pluspol.

  • Erläutere die Funktionsweise eines Konzentrationselements.

    Tipps

    Die Elektrode, die mehr Metall-Ionen an die Lösung abgibt, ist die Anode.

    Lösung

    Das in der Aufgabe entwickelte Phänomen ist das Konzentrationselement. Es zeigt, dass es keine zwei verschiedenen Metalle benötigt, damit sich ein EMK aufbaut und man eine Spannung generieren kann. Die unedlere Elektrode ist hierbei jene, die in der weniger konzentrierten Lösung steckt. Von ihr geht mehr Kupfer als $Cu^{2+}$ in Lösung als von jener, die schon von sehr vielen $Cu^{2+}$-Ionen umgeben ist. Das bedeutet, dass auf der Elektrode, welche sich in der dünneren Lösung befindet, mehr Elektronen auf dem Metall zurückbleiben – ein Potential baut sich auf. Entscheidend ist jedoch, dass obwohl es sich um Elektroden gleichen Materials handelt, die Elektrolytlösungen voneinander getrennt gehalten werden müssen. Würde man diese Trennung nicht aufrecht erhalten, würde sich einfach der Elektrolyt zu einer Konzentration vermischen. Die Folge wäre, dass die Potentialdifferenz zwischen beiden Halbzellen 0 ist, sich also keine EMK aufbaut.

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