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aktuelles Dokument: TutoriumChemieElektrochemie
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Elektrochemie 1


Grundlagen, wichtige elektrochemische Bauteile



Grundbegriffe

Elektrochemische Reaktionen sind Redoxreaktionen, d.h Reaktionen mit Elektronenübergang. Sie können freiwillig ablaufen (galvanische Zelle) oder durch anlegen einer Spannung erzwungen werden (elektrolytische Zelle).

Oxidation: Ist die Teilreaktion bei der Elektronen abgegeben werden.
Reduktion: Ist die Teilreaktion bei der Elektronen aufgenommen werden.
Anode: Elektrode, an der die Oxidation stattfindet
Kathode: Elektrode, an der die Reduktion stattfindet

→ allgemeingültig, unabhängig von der Art der elektrochemischen Zelle

Primärelemente:
  • elektrochemische Bauteile aus zwei Elektroden + Elektrolyt
  • freiwillig ablaufende chemische Reaktion bei leitender Verbindung der Elektroden, ch. Energie → elektr. Energie
  • irreversibler Prozess, kann durch anlegen einer äußeren Spannung nicht umgekehrt werden
  • Beispiele: Daniell-Element, Lechlanche-Element, Alkalinezelle, Zink-Luft- Batterie

Sekundärelement:
  • elektrochemisches Bauteil aus zwei Elektroden + Elektrolyt
  • freiwillig ablaufende chemische Reaktion bei leitender Verbindung der Elektroden, ch. Energie →elektr. Energie
  • kann durch anlegen einer äußeren Spannung wieder aufgeladen werden, die Reaktion ist reversibel, elektr. Energie →ch. Energie
  • Beispiele: Bleiakkumulator, NiCd-Akku, Li-Ionen-Akku

Tertiärelement (Brennstoffzelle):
  • ch. Energie →elektr. Energie (nicht umkehrbar)
  • permanente Zufuhr der Ausgangsstoffe (H2 und O2), ständige Abfuhr der Reaktionsprodukte (H2O)
  • --> kein Energiespeicher, sondern Energiewandler !

Galvanische Zelle:
  • ch. Energie →elektrische Energie
  • Reaktion läuft freiwillig ab
  • Beispiel: siehe Primärelement

Elektrolytische Zelle:
  • elektrische Energie →ch. Energie
  • erzwungene Reaktion, anlegen einer Spannung
  • gegensätzlich gepolt zur galvanischen Zelle
  • Beispiele: Natrium-, Aluminiumschmelzflusselektrolyse, Blei-Akku beim aufladen


Korrosion von Eisen an feuchter Luft

- mehrstufige Reaktion aufgrund der Modifikationen des Eisens-Ions (zwei- und dreiwertig)

Oxidation 1: Fe-> Fe^(2+) + 2e^-
Anoede(-) RM1 OM1

Reduktion 1: O2 + 4e^- --> 2O^(2-)
Kathode(+) OM2 RM2

Folgereaktionen: 2O^(2-) + H2O -->4OH^-
Gesamtreaktion: 2Fe + O2 + 2H2O -> 2Fe^(2+) + 4OH^-
Ausfällreaktion: 2Fe^(2+) + 4OH -> 2Fe(OH)2

Oxidation 2: Fe^(2+) -> Fe^(3+) + e^-
Anode(-) RM1 OM1

Reduktion 2: O2 + 2H2O + 4e^- ->4OH^-
Kathode (+) OM2 RM2

Gesamtreaktion: 4Fe^(2+) + O2 + 2H2O -> 4Fe^(3+) + 4OH^-
Folgereaktion: 4Fe^(3+) + 12OH^- -> 4Fe(OH)3

Weitere Reaktion bei ausreichender Feuchtigkeit:
2Fe(OH)3 -> 2FeO(OH) + 2H2O -> Fe2O3 + 3H2O



Zink-Kohle-Batterie (Lechlanche Element)

 (image: https://hssm.hqedv.de/uploads/TutoriumChemieElektrochemie/Grafik1.jpg)


Oxidation: Zn -> Zn2 + 2e^-
Anode (-) RM1 OM1
Reduktion: Mn + 4 + e^- -> Mn+3
Kathode (+) OM2 RM2
2MnO2 + 2e^- + H2O -> 2MnOOH + 2OH^-
Folgereaktion: Zn2^(+) + 2OH- -> Zn(OH)2 -> ZnO + H20


Alkalinezelle
 (image: https://hssm.hqedv.de/uploads/TutoriumChemieElektrochemie/Grafik2.jpg)

Reaktionen siehe Lechlanche-Element

Zink-Luft-Batterie
 (image: https://hssm.hqedv.de/uploads/TutoriumChemieElektrochemie/Grafik3.jpg)

Oxidation: 2Zn -> 2ZN^(2+) + 4e^-
Anode(-) RM1 OM1
Reduktion: O2 + 4e^- -> 2O^(2-)
Kathode(+) OM2 RM2
Folgereaktion: 2O^(2-) + 2H2O -> 4OH
Gesamtreaktion: 2Zn + O2 + 2H2O -> 2Zn(OH)2 oder ZnO + H2O


Wasserbrennstoffzelle

 (image: https://hssm.hqedv.de/uploads/TutoriumChemieElektrochemie/Grafik4.jpg)

Oxidation: 2H2 -> 4H^(+) + 4e^(-)
Anode(-) RM1 OM1
Reduktion: O2 + 4e^(-) -> 2O^(2-)
Kathode(+) OM2 RM2
Gesamtreaktion: 2H2 + O2 -> 2H2O


Bleiakkumulator (Entladevorgang)

 (image: https://hssm.hqedv.de/uploads/TutoriumChemieElektrochemie/Grafik5.jpg)

Oxidation: Pb -> Pb^(2+) + 2e^(-)
Anode(-) RM1 OM2
Reduktion: (Pb+2e^(-) -> Pb)
Kathode(+) PbO2 + 2e^(-) + 4H -> Pb^(2+) + H2O
OM2 RM2
Gesamtreaktion: Pb + PbO2 + 4H^(+) + 2SO4^(2-) -> 2Pb^(2+)2H2O + 2SO4^(2-)
Pb + PbO2 + H2SO4 -> 2PbSO4 + H2O


Aluminiumschmelzflusselektrolyse (Elektrolytische Zelle)

 (image: https://hssm.hqedv.de/uploads/TutoriumChemieElektrochemie/Grafik6.jpg)

Ausgangsstoff: Al2O3 ( aus Bauxit durch Bayer-Verfahren gewonnen)

Oxidation: C + 2O^(2-) -> CO2 + 4e^(-)
Anode(+) RM1 OM1
Reduktion: Al^(3+) + 3e^(-) -> Al
Kathode(-) OM2 RM2
Gesamtreaktion: 3C + 6O^(2-) + 4Al^(3+) -> 3CO2 + 4Al
3C + 2Al2O3 -> 3CO2 + 4Al



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