Ionenwanderung in der galvanischen Zelle

Ionenwanderung in der galvanischen Zelle Übung

• Vervollständige die Skizze zur galvanischen Zelle.

  Tipps

  An der Kathode werden die Kupfer-Ionen reduziert.

  Ein Diaphragma ist eine poröse Trennschicht, durch die die Sulfat- und Zink-Ionen wandern können.

  Lösung

  Hier siehst du ein Daniell-Element. Es handelt sich dabei um eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht.

  In der Zink-Halbzelle befindet sich eine Zinkelektrode in einer Zinksulfatlösung. Auf der anderen Seite in der Kupfer-Halbzelle sehen wir eine Kupferelektrode in einer Kupfersulfatlösung. Wenn die Halbzellen nun leitend miteinander verbunden sind, findet ein Elektronenfluss von der Anode (Zink) zur Kathode (Kupfer) statt. Dadurch werden die elektrochemischen Gleichgewichte an beiden Elektroden gestört. Damit der Stromkreis geschlossen wird und der Stromfluss nicht stoppt, muss ein Ladungsausgleich zwischen den Elektrolytlösungen erfolgen. Dies ist durch das Diaphragma gesichert.

  An der Zinkelektrode werden Elektronen abgezogen. So entsteht hier ein Überschuss an positiver Ladung. Um das Gleichgewicht wiederherzustellen, werden Elektronen benötigt. Dies geschieht durch die folgende Oxidation:

  $Zn \rightarrow Zn^{2+} +2~e^-$

  In der Kupferelektrode entsteht durch den Elektronenfluss kurzzeitig ein Überschuss an negativer Ladung. Um das Gleichgewicht herzustellen, müssen Elektronen verbraucht werden. Dies erfolgt durch die folgende Reduktion:

  $Cu^{2+} +2~e^- \rightarrow Cu$

• Überprüfe die Aussagen zur Ionenwanderung in der galvanischen Zelle auf ihre Richtigkeit.

  Tipps

  Die Elektrolytlösung der Kupfer-Halbzelle lädt sich durch die Sulfat-Ionen negativ auf.

  Eine Kupfersulfat-Elektrolytlösung besteht aus $Cu^{2+}$-Ionen und $SO_4^{2-}$-Ionen.

  Drei Aussagen sind korrekt.

  Lösung

  Wenn die Halbzellen eines Daniell-Elements leitend miteinander verbunden sind, findet ein Elektronenfluss von Zink zu Kupfer statt. Dadurch werden die elektrochemischen Gleichgewichte an der Anode und Kathode gestört. Damit der Stromfluss nicht zum Erliegen kommt, muss ein Ladungsausgleich zwischen den Elektrolytlösungen erfolgen können. Dafür sorgt das Diaphragma.

  An der Zinkelektrode werden Elektronen abgezogen. So entsteht hier ein Überschuss an positiver Ladung. Damit sich ein Gleichgewicht einstellt, werden Elektronen benötigt. Diese entstehen durch die Oxidation von Zink. Dabei reichern sich positiv geladene Zink-Ionen im Elektrolyten an, sodass sich die Lösung positiv auflädt.

  In der Kupferelektrode entsteht durch den Elektronenfluss ein Überschuss an negativer Ladung. Um das Gleichgewicht herzustellen, müssen Elektronen verbraucht werden. Dies erfolgt durch die Reduktion von Kupfer-Ionen aus dem Elektrolyten, der sich wegen der negativ geladenen Sulfat-Ionen negativ auflädt.

  Damit der Elektronenfluss stattfinden kann, wandern die Sulfat- und Zink-Ionen durch das Diaphragma. Es kommt zum Ladungsausgleich. Der Elektronenfluss stoppt erst, wenn die Zinkelektrode aufgebraucht ist.

  Damit ist die einzige falsche Aussage:
  „In der Kupfer-Halbzelle reichern sich positiv geladene Sulfat-Ionen an.“
  In der Kupfer-Halbzelle reichern sich nämlich negativ geladene Sulfat-Ionen an und sorgen für die negative Ladung des Elektrolyten.

• Bestimme, was für die Kathode und was für die Anode gilt.

  Tipps

  Bei der Reduktion werden Elektronen aufgenommen.

  Die Elektronen fließen von der Anode zur Kathode.

  An der Anode wird Zink oxidiert.

  Lösung

  Hier siehst du ein Daniell-Element. Es handelt sich dabei um eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht. Wobei sich jeweils eine entsprechende Elektrode in einer Sulfatlösung befindet. Da die beiden Elektroden verbunden sind, findet ein Elektronenfluss von Zink zu Kupfer statt.

  An der Zink-Anode werden Elektronen abgezogen, so entsteht hier ein Überschuss an positiver Ladung. Um das Gleichgewicht wiederherzustellen, werden Elektronen benötigt. Dies geschieht durch die folgende Oxidation:

  $Zn \rightarrow Zn^{2+} +2e^-$

  In der Kupfer-Kathode entsteht durch den Elektronenfluss kurzzeitig ein Überschuss an negativer Ladung. Um das Gleichgewicht herzustellen, müssen Elektronen verbraucht werden. Dies erfolgt durch die folgende Reduktion:

  $Cu^{2+} +2e^- \rightarrow Cu$

• Gib die passenden Reaktionsgleichungen an.

  Tipps

  Bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle oxidiert Wasserstoff unter Elektronenabgabe an der Anode.

  Eine Reduktion ist immer eine Elektronenaufnahme.

  Lösung

  Bei der Zink-Kohle-Batterie passiert Ähnliches wie bei dem Daniell-Element. Es gibt einen Stromfluss von der Anode zur Kathode. Daher findet an der Anode eine Oxidation von Zink statt:

  $Zn\rightarrow Zn^{2+}+2~e^-$

  Die Kathode ist in diesem Fall ein Kohleelektrode und der Elektrolyt ist in unserem Beispiel leicht sauer. Durch den Überschuss an Elektroden findet an der Kathode die Reduktion statt. Aus dem Mangan(IV)-oxid (auch Mangandioxid oder Braunstein genannt) und den Oxonium-Ionen wird unter Aufnahme von Elektronen Mangan(III)-oxid und Wasser:

  $2~MnO_2+2~H_3O^+ +2~e^-\rightarrow Mn_2O_3 + 3~H_2O$

  Das zweite Beispiel ist eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Brennstoffzellen gelten als eine Zukunftstechnologie. Die Idee ist schon mehr als 180 Jahre alt: Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen Strom und Wärme. Auch hier trennt ein Elektrolyt die Elektroden voneinander und ist zuständig für die Möglichkeit der Ionenwanderung, damit der Stromfluss nicht zum Erliegen kommt. In unserem Beispiel ist der Elektrolyt basisch. An der Anode wird Wasserstoff unter Elektronenabgabe oxidiert:

  $2~H_2 +4~OH^-\rightarrow 4~H_2O+4~e^-$

  An der Kathode wird Sauerstoff unter Elektronenaufnahme reduziert:

  $4~e^-+O_2+2~H_2O\rightarrow 4~OH^-$

• Entscheide, ob es sich um eine Oxidation oder eine Reduktion handelt.

  Tipps

  Bei $Na\rightarrow Na^+ + e^-$ handelt es sich um eine Oxidation.

  Bei einer Reduktion werden Elektronen von einem Ion, Atom oder Molekül aufgenommen.

  Lösung

  Eine Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der von einem Ion, Atom oder Molekül Elektronen abgegeben werden.
  1.$~$$2Al\rightarrow 2~Al^{3+}+6~e^-$
  2.$~$$Zn\rightarrow Zn^{2+}+2~e^-$

  Eine Reduktion ist eine chemische Reaktion, bei der von einem Ion, Atom oder Molekül Elektronen aufgenommen werden.
  1.$~$$2~Fe^{3+}+6~e^-\rightarrow 2~Fe$
  2.$~$$2~H^++2~e^-\rightarrow H_2$
  3.$~$$Cl{_2}+2~e^-\rightarrow 2~Cl^-$

  Verknüpft man die jeweiligen Reaktionsgleichungen miteinander, erhält man eine Redoxreaktion:
  1.$~$$Fe_2O_3 + 2~Al \rightarrow 2~Fe + Al_2O_3$
  2.$~$$Zn + 2~HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$
  3.$~$ $2~Na+Cl{_2}\rightarrow 2~Na^+ + 2~Cl^-$ (mit $2~Na\rightarrow 2~Na^+ + 2~e^-$ als Oxidation)

• Erkläre den Unterschied zwischen Primär- und Sekundärzellen.

  Tipps

  Wenn die Zink-Kohle-Batterie deines Weckers alle ist, musst du sie im Sondermüll entsorgen.

  Lösung

  Sowohl beim Handy-Akku als auch bei der Zink-Kohle-Batterie handelt es sich um galvanische Zellen. Dennoch erkennen wir deutliche Unterschiede.

  Wir betrachten zunächst das Beispiel der Zink-Kohle-Batterie:

  An der Anode wird das Zink oxidiert und dabei gehen die Zink-Ionen in die Elektrolytlösung über. Die Redoxreaktion läuft so lange ab, bis die Zinkelektrode vollständig aufgebraucht ist. Wir können sehen, dass die Redoxprozesse in der Batterie nicht umkehrbar sind. Wenn eine Batterie nicht wieder aufladbar ist, spricht man auch von einer Primärzelle.

  Im Gegensatz dazu sind die im Akkumulator (kurz: Akku) ablaufenden Redoxprozesse umkehrbar, daher ist er wieder aufladbar. Man spricht hier von einer Sekundärzelle. Ein Beispiel für einen Akkumulator ist die Autobatterie.