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Nernst-Gleichung und die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials

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Chemie-Team
Nernst-Gleichung und die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse - 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Nernst-Gleichung und die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Nernst-Gleichung und die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials kannst du es wiederholen und üben.
  • Erkläre die Elemente der Nernstgleichung.

    Tipps

    Einige Formelzeichen sind dir sicher bereits bekannt. T kennst du auch aus der Physik und c ist definiert als Stoffmenge je Volumen.

    Lösung

    Um mit einer Formel richtig rechnen zu können, ist es immer wichtig, auch die entsprechenden Formelzeichen zu kennen. E° ist das Standardpotential. Standard bedeutet, dass es unter Standardbedingungen gemessen wurde. R ist die universelle Gaskonstante und F die Faraday-Konstante. Beide Werte findest du im Tafelwerk. T kennst du sicher schon aus der Physik, T steht für die Temperatur. Die eckigen Klammern um eine Größe zeigen dir, dass hier die Konzentration des Stoffes gemeint ist. Das kleine z ist das Zeichen für die Anzahl der übertragenen Elektronen bei der Reaktion.

  • Formuliere die Gleichungen zum Daniell-Element.

    Tipps

    Die Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen.

    Das edlere Element wird reduziert, das unedlere wird oxidiert.

    Kupfer ist das edlere Element.

    Lösung

    Im Daniell-Element läuft ein Redoxprozess ab. Kupfer ist das edlere Element, also werden die $Cu^{2+}$-Ionen in der Lösung zu elementarem Kupfer reduziert. Dabei werden zwei Elektronen aufgenommen. Das unedlere Zink wird gleichzeitig reduziert, aus elementarem Zink entstehen $Zn^{2+}$-Ionen unter Freigabe von 2 Elektronen.

    • Oxidation: $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2 e^-$
    • Reduktion: $Cu^{2+} + 2 e^- \rightarrow Cu$

  • Bestimme bei folgenden galvanischen Elementen, welches Metall reduziert und welches oxidiert wird.

    Tipps

    Das edlere Metall wird reduziert.

    Je höher das Standardpotential, desto edler das Metall.

    Lösung

    Wenn zwei Halbzellen aus unterschiedlichen Metallen miteinander verbunden werden, wird immer das edlere Metall reduziert und das unedlere oxidiert. Je unedler ein Metall ist, desto geringer sein Standardpotential und je edler, desto höher. Die Standardpotentiale lassen sich in der elektrochemischen Spannungsreihe ablesen. Im ersten Fall ist also Silber edler als Eisen, daher wird Silber reduziert und Eisen oxidiert. Im zweiten Fall wird Kupfer reduziert und Lithium oxidiert und im dritten Fall wird Gold reduziert und Zink oxidiert.

  • Berechne das Potential in einer Kupferhalbzelle.

    Tipps

    $E = E° + \dfrac{0,059 V}{z} \cdot lg \cdot c$

    z ist die Anzahl der übertragenen Elektronen.

    Die Einheit vom Potential ist die Einheit der Spannung.

    Die Einheit ist Volt.

    Lösung

    Um die Spannung in der Halbzelle zu berechnen, setzt du die gegebenen Werte in die vereinfachte Nernstgleichung ein.

    Das Standardpotential E° ist mit 0,35 V gegeben. Die Konzentration ist mit 0,1 mol/l angegeben und die Zahl der übertragenen Elektronen beträgt bei Kupfer zwei. Nun kannst du alle Werte einsetzen:

    $E = 0,35 V + \dfrac{0,059 V}{2} \cdot lg \cdot 0,1 $

    $E = 0,32 V~$

  • Gib an, was sich mit der Nernstgleichung berechnen lässt.

    Tipps

    Die Nernstgleichung findet Anwendung bei galvanischen Elementen.

    Lösung

    Zwischen einem Metall und seiner Metallsalzlösung in einer Halbzelle entsteht ein Potential. Werden nun zwei Halbzellen miteiander verbunden, entsteht eine Differenz der Elektrodenpotenziale. Diese kannst du dann als Spannung messen. Berechnen lässt sich die Spannung in galvanischen Elementen über die Nernstgleichung.

  • Berechne die Konzentration einer Zinksalzlösung.

    Tipps

    Trage alle gegebenen Werte in die Nernstgleichung ein und stelle nach c um.

    z ist für diese Reaktion 2.

    $lg \cdot c = n$

    $10^n = c$

    Die Einheit ist mol/l.

    Lösung

    Zunächst setzt du wieder alle gegebenen Werte in die Nernstgleichung ein.

    $-0,8 = -0,76 V + \dfrac{0,059 V}{2} \cdot lg c$

    Nun kannst du anfangen, umzuformen:

    $-0,04 = \dfrac{0,059 V}{2} \cdot lg c$

    $-1,3559 = lg c$

    $c = 10^{-1,3559}$

    $c = 0,044~frac{mol}{l}$