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pH-Abhängigkeit von Redoxpotenzialen 08:51 min

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Transkript pH-Abhängigkeit von Redoxpotenzialen

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt "pH-Abhängigkeit von Redoxpotenzialen". Der Film gehört zur Reihe "Oxidation und Reduktion". Als Vorkenntnisse solltest du gutes Wissen über Redoxreaktionen besitzen und die Videos bis einschließlich Nernst-Gleichung angeschaut haben. Mein Ziel ist es, Dir in diesem Video das grundlegende Verständnis der Möglichkeiten der pH-Messung unter Benutzung von Elektroden zu vermitteln. Das Video ist viergeteilt. 1. Wasserstoffelektrode 2. Sauerstoffelektrode 3. pH-Messung 4. Zusammenfassung

  1. Wasserstoffelektrode Eine Wasserstoffelektrode besteht aus einer wässrigen Lösung, die eine Säure enthält. Bei der Standardelektrode hat die Säure eine Konzentration von 1 Mol pro Liter. Über ein Rohr wird gasförmiger Wasserstoff in die Lösung eingeleitet. Dieser umspült metallisches Platin. Der Druck beträgt 1013 hPa. Die Temperatur wird bei 298 Kelvin konstant gehalten. Diese Bedingungen bezeichnet man als Standardbedingungen. Die Redoxreaktion ist das chemische Gleichgewicht zwischen 2 Hydroniumionen und 2 Elektronen sowie 1 Wasserstoffmolekül und 2 Wassermolekülen. Das Platin bewirkt eine schnelle Einstellung des Gleichgewichts. Bei Standardbedingungen spricht man vom Normalpotenzial. Dieses wurde mit E0=0V willkürlich aber sinnvoll festgelegt. Die Wasserstoffelektrode fungiert als Bezugselektrode. Betrachten wir nun eine Veränderung der Konzentration der Hydroniumionen. Zur Erinnerung notiere ich noch einmal das Redoxgleichgewicht. Die oxidierte Form bezeichne ich mit Ox, die reduzierte Form mit Red. Rot und Blau. Auf jedes Redoxgleichgewicht kann man die Nernst-Gleichung anwenden. Das wirksame Potenzial E ist gleich dem Normalpotenzial E0+0,06 Volt dividiert durch 2. Das sind die 2 übertragenen Elektronen, multipliziert mit dem Logarithmus der Konzentrationen der oxidierten Form dividiert durch die reduzierte Form. Wir berücksichtigen nun, dass E0 gleich 0 ist und tragen die entsprechenden Konzentrationen gemäß des Massenwirkungsgesetzes ein. Die Konzentration des Wasserstoffs ist nach Definition 1 und die Konzentration des Wassers ebenfalls, denn Wasser ist im Überschuss vorhanden und geht in E mit ein. Damit erfährt der rechte Term der Gleichung eine starke Vereinfachung. Wir erinnern uns, dass der pH-Wert den negativ dekadischen Logarithmus der Hydroniumionen-Konzentration ist. Für das Potenzial der Wasserstoffelektrode in Abhängigkeit vom pH-Wert ergibt sich nun eine einfache Formel. Es ist nämlich genau -0,06 pH-Volt. Beim pH-Wert 7, bei dem fast alle Lebensprozesse ablaufen, beträgt das Potenzial -0,42 Volt. Wäre es nun nicht möglich, mit der Wasserstoffelektrode den pH-Wert zu messen?

  2. Sauerstoffelektrode, auch Sauerstoffhalbzelle genannt. Bei der Sauerstoffelektrode besteht ein Redoxgleichgewicht zwischen einem Sauerstoffmolekül, 4 Hydroniumionen, 4 Elektronen auf der einen Seite sowie 6 Wassermolekülen auf der anderen Seite. Wir notieren nun die oxidierten sowie die reduzierten Formen. Wir formulieren nun die Nernst-Gleichung. Die Zahl übertragener Elektrode Z beträgt in unserem Fall 4 und Erkenntnis des Normalpotenzials E0 gleich 1,23 Volt kann man nun die Nernst-Gleichung konkretisieren. Für die Konzentration des Sauerstoffs O2 bzw. des Wassers H2O wird jeweils 1 gesetzt, in Übereinstimmung mit den Argumenten, die wir bereits vorher genannt haben. Damit vereinfacht sich der rechte Term der Gleichung weiter. Die 4 aus [H3O+]^4 ziehen wir nach dem Logarithmengesetz nach vorn. Wir kürzen nun die 4en gegeneinander und sind praktisch fertig. Lediglich der Definition des pH-Wertes erinnern wir uns. Wir erhalten E=1,23 Volt-0,06pH. Der zweite Term auch in Volt. Beim lebensfreundlichen pH=7 ergibt sich ein Potenzial E=+0,81 Volt. Wäre eine solche Elektrode nicht vielleicht auch für die pH-Messung geeignet? Prinzipiell ist die pH-Messung bei einer Elektrode wie der Wasserstoffelektrode natürlich möglich. Das erkennt man sofort aus dem Zusammenhang zwischen den Potenzialen und dem pH-Wert. Also, warum eigentlich keine pH-Messung mit der Wasserstoffelektrode? Das Problem ist weniger ein wissenschaftliches als ein technisches. Es gibt nämlich Probleme mit der Druckmessung und der Konstanthaltung des Druckes. Folglich sind Elektroden wie die Wasserstoffelektrode oder die Sauerstoffelektrode für die pH-Messung nicht gut geeignet. Man muss folglich andere Wege beschreiten. Und das werden wir jetzt auch tun.

  3. pH-Messung Auf der Suche nach einer geeigneten Elektrode für die pH-Messung hat man schließlich die sogenannte Chinhydronelektrode gefunden. Die Redoxreaktion für diese Elektrode möchte ich teilweise als Wortgleichung formulieren. Chinon + 2 Hydroniumionen + 2 Elektronen stehen im Redoxgleichgewicht mit Hydrochinon und 2 Molekülen Wasser. Wenn Chinon und Hydrochinon äquimolar vorliegen, so nennt man dieses Gemisch Chinhydron. Für Details über die Struktur des Chinons und Hydrochinons verweise ich auf den entsprechenden Abschnitt im Kapitel "organische Chemie". Wir wissen nun Bescheid, dass sich links die oxidierte und rechts die reduzierte Form befindet. Nun formulieren wir die Nernst-Gleichung für Standardbedingungen und 2 übertragene Elektronen. Nun berücksichtigen wir das Normalpotenzial von +0,07 Volt und die obige Redoxgleichung. Äquimolare Mengen an Chinon und Hydrochinon gelangen durch Platin schnell in das Redoxgleichgewicht. Bei der weiteren Vereinfachung kürzen sich die beiden Konzentrationen heraus. Wir erhalten E=0,07 Volt - 0,06pH mal Volt. Mit einer Elektrode kann man noch keine elektromotorische Kraft messen. Man braucht noch eine zweite Elektrode als Bezugselektrode. Nehmen wir zum Beispiel die Elektrode, die bei Standardbedingungen ein Normalpotenzial E2+0,35 Volt aufweist. Ihr erinnert euch, ja es ist die Cu2+/Cu Halbzelle. Sie wirkt hier als Bezugselektrode. Aus beiden Elektroden ist es durch Bestimmung der elektromotorischen Kraft möglich, eine pH-Messung zu vollziehen.

  4. Zusammenfassung Es gibt Elektroden, deren Potenzial pH-Wert-abhängig ist. So verhält es sich zum Beispiel mit der Wasserstoffelektrode. Potenzial und pH-Wert sind über eine einfache Beziehung miteinander verknüpft. Technische Probleme, wie die Druckkontrolle, führen dazu, dass die Verwendung der Wasserstoffelektrode für die pH-Messung nicht praktikabel ist. Eine brauchbare Alternative bietet die Verwendung der Chinhydroelektrode. Potenzial und pH-Wert der Chinhydroelektrode sind über eine einfache lineare Abhängigkeit miteinander verknüpft. Verwendet man eine geeignete Bezugselektrode, wie zum Beispiel das Cu2+/Cu-Halbelement, so kann man durch Messung der elektromotorischen Kraft den pH-Wert bestimmen. Das wars schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Alles Gute. Auf Wiedersehen.

4 Kommentare
  1. Die 2 vom Argument des Logarithmus wird nach Logarithmengesetz vorne als Faktor geschrieben. Damit ist die Teilung durch 2 wieder aufgehoben.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 4 Jahren
  2. Hallo,
    sollte es beim Wasser nicht E=0V + 0,03 log (H3O+) sein?
    Da es ja durch 2 geteilt wird...

    Von Elenathomsen, vor mehr als 4 Jahren
  3. Bitte sofatutor anrufen (Nummer unten rechts) und das Problem klären.

    Von André Otto, vor etwa 7 Jahren
  4. Ich kann keins der Videos anschauen und mein Abo löuft erst 2013 ab was muss ich machen dass es wieder funktioniert ??

    Von Nora Be, vor etwa 7 Jahren

pH-Abhängigkeit von Redoxpotenzialen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video pH-Abhängigkeit von Redoxpotenzialen kannst du es wiederholen und üben.

  • Benenne die Teile der Standardwasserstoffelektrode.

    Tipps

    Mit welchem Druck wird der Wasserstoff eingeleitet?

    Was passiert mit dem Wasserstoff, wenn er nicht am Platinblech reagieren konnte?

    Lösung

    Du kennst nun den Aufbau der Standardwasserstoffelektrode. Diesen solltest du dir unbedingt einprägen, da dieser gern in der Schule im Bereich Redoxchemie abgefragt wird.

    Diese Elektrode ist der Bezugspunkt für die gesamte elektrochemische Spannungsreihe. Daher ist sie so wichtig, dass du sie aus dem Kopf zeichnen können solltest.

  • Definiere die Begriffe Oxidation, Reduktion und Redoxreaktion.

    Tipps

    Denke daran, dass zu jeder Oxidation eine Reduktion gehört.

    Nicht jede Oxidation ist eine Reaktion mit Sauerstoff.

    Die Veränderung der Oxidationszahlen verrät dir, ob es sich um eine Oxidation oder Reduktion handelt.

    Lösung

    Allgemein definiert ist eine Oxidation eine Reaktion mit Elektronenabgabe. Es werden dabei also negativ geladene Elementarteilchen abgegeben. Aus diesem Grund steigt die Oxidationszahl.

    Eine Reduktion ist eine Elektronenaufnahme, die Oxidationszahl wird also vermindert.

    Beide Reaktionen laufen meist als Paar ab. Dabei werden so viele Elektronen abgegeben, wie vom Partner aufgenommen werden. Dieses Reaktionspaar wird Redoxreaktion genannt.

    Früher ging man davon aus, dass Redoxreaktionen an Sauerstoff gebunden sind. Das wissen wir heute genauer. Entscheidend ist der Elektronenübergang von einem Stoff zum anderen, der auch ohne Sauerstoff abläuft.

    Das Bild am Anfang zeigt ein Beispiel für eine Redoxreaktion. Hier werden Zink-Atome oxidiert und Kupfer-Ionen reduziert.

  • Begründe, warum Feststoffelektroden besser für die pH-Wert-Messung geeignet sind als Gaselektroden.

    Tipps

    Was muss man beim Umgang mit Gasen bedenken?

    Die Wasserstoff- und die Sauerstoffelektrode sind Gaselektroden.

    Lösung

    Sowohl an der Wasserstoff- als auch an der Sauerstoffelektrode entstehen Gase, nämlich Wasserstoffgas und Sauerstoffgas.

    Die Gefahr, dass der Gasdruck zu groß wird oder eine Knallgasexplosion eintritt, ist sehr groß. Die Messgenauigkeit ist dabei von stabilen Druckverhältnissen abhängig. Ihre Einsatzmöglichkeiten sind daher begrenzt.

    Andere Elektrodenmaterialien mit einem Festbett sind dagegen wesentlich besser zu handhaben. Sie haben darüber hinaus eine breiteren Anwendungsbereich, sind sicherer in der Handhabung und liefern genauere Messergebnisse.

  • Erläutere die Entstehung einer elektrischen Spannung an folgender galvanischen Zelle.

    Tipps

    Eine Batterie stellt auch eine galvanische Zelle dar. Welche Form der Energie liefert sie?

    Metalle mit einem Standardpotential kleiner Null werden als unedel bezeichnet. Sie geben leicht ihre Elektronen ab.

    Der Stromkreis ist über die Elektroden und über die Elektrolytlösung geschlossen. Sieh dir das Bild genau an.

    Lösung

    Werden zwei Stoffe mit unterschiedlichem elektrochemischen Potenzial leitend über einen Elektrolyt verbunden, entsteht eine Spannung und es fließt ein elektrischer Strom.

    Der Elektrolyt enthält Ionen, die den elektrischen Strom leiten. An den beiden Elektroden entstehen die Elektrodenpotentiale. Diese sind abhängig vom Material der Elektrode, der Temperatur und der Konzentration des Elektrolyts.

    Potentiale, die bei Standardbedingungen gemessen werden, heißen Standardpotentiale. Man findet diese in der elektrochemischen Spannungsreihe. Sie gibt Auskunft darüber, ob eine Metall edel oder unedel im Verhältnis zu einem anderen Metall ist.

    In diesem Beispiel ist das Standardpotential von Kupfer positiv und das von Zink negativ. Das heißt, Kupfer ist edler als Zink. Zink wird demnach oxidiert und Kupfer folglich reduziert. An der Zink-Elektrode gehen $Zn^{2+}$-Ionen in Lösung. Die Elektrode wird also immer kleiner, während sich elementares Kupfer an der Kupferelektrode abscheidet.

    Die entstehende Spannung kann man berechnen, indem man die Differenz aus dem Standardpotential des Kupfers und dem des Zinks bildet:

    $U~=~E^0(Cu//Cu^{2+})~-~E^0(Zn//Zn^{2+})$

  • Gib grundlegende Aussagen über Elektrodenpotentiale wieder.

    Tipps

    Wende dein Wissen über die Vorgänge an der Standard-Wasserstoffelektrode an.

    Was bestimmt man mit der Nernst-Gleichung?

    Lösung

    Es besteht immer eine Abhängigkeit des Elektrodenpotentials von der Zahl der ausgetauschten Elektronen im Redoxvorgang, der Konzentration des Elektrolyts und dem Standardpotential des Elektrodenmaterials.

    Die Standartpotentiale des Elektrodenmaterials findet man in der elektrochemischen Spannungsreihe. Die Konzentration kann auch als pH-Wert angegeben sein. Die Standardbedingungen sind immer 298 K und 1013 hPa.

  • Bestimme das Potential einer Wasserstoffzelle bei dem pH-Wert 4.

    Tipps

    Das Standardpotential des Wasserstoffs beträgt 0 V.

    Die Anzahl der ausgetauschten Elektronen beträgt in dieser Reaktion 2. Damit ist $z=2$.

    Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Konzentration der Hydronium-Ionen.

    Ein Logarithmusgesetz erlaubt es, einen Exponenten aus dem Logarithmus als Faktor nach vorn zu ziehen: $lg[H_3O^+]^2~=~2~lg[H_3O^+]$

    Lösung

    Die Standardwasserstoffelektrode dient als Bezugselektrode für die gesamte elektrochemische Spannungsreihe. Ihr Potential wurde als 0 V definiert. Damit teilt sie die Reihe in edel und unedel.

    Die Abhängigkeit des Potentials vom pH-Wert hast du gerade Schritt für Schritt mathematisch hergeleitet. Wenn du Schwierigkeiten beim Verständnis der einzelnen Schritte hast, löse die Aufgabe erneut. Hier noch einmal die Tipps.

    Die Anzahl der ausgetauschten Elektronen beträgt in dieser Reaktion 2. Damit ist $z=2$.

    Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Konzentration der Hydronium-Ionen. $pH=-lg~[H_3O^+]$

    Ein Logarithmusgesetz erlaubt es, einen Exponenten aus dem Logarithmus als Faktor nach vorn zu ziehen.

    $lg[H_3O^+]^2~=~2~lg[H_3O^+]~~~~~~~~$ Daher kürzt sich die 2 aus der Formel heraus.