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Ausgewählte Experimente der Elektrochemie Sara Metten.

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Präsentation zum Thema: "Ausgewählte Experimente der Elektrochemie Sara Metten."—  Präsentation transkript:

1 Ausgewählte Experimente der Elektrochemie Sara Metten

2 Gliederung 1. Begriffsklärung 2. Grundlagen 3. Galvanische Zellen  Primärelement  Sekundärelement 4. Elektrolysezelle 5. Einsatz in Alltag und Technik 6. Lehrplan 7. Didaktische Aspekte

3 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Elektrochemie Umwandlung chemischer in elektrische Energie Elektrolyse Ionenwanderung Korrosion Begriffsklärung

4 ElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Begriffsklärung  Teilgebiet der physikalischen Chemie  gegenseitige Umwandlung von chemischer in elektrischer Energie  Umfasst folgende Vorgänge:  Wanderung von Elektronen und Ionen  Ausbildung von elektrochemischen Potentialen Begriffsklärung

5 Demo 1 Spannungsreihe

6 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Spannungsreihe Fe (s) Fe 2+ (aq) + 2 e Cu 2+ (aq) + 2 e Cu (s) Fe (s) + Cu 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + Cu (s) Cu (s) + 2 Ag + (aq) Cu 2+ (aq) + 2 Ag (s) - - Cu (s) Cu 2+ (aq) + 2 e - 2 Ag + (aq) + 2 e Ag (s) - Grundlagen

7 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Folgernde Spannungsreihe Ag/Ag + Cu/Cu 2+ Fe/Fe 2+ Starke Reduktionsmittel Starke Oxidationsmittel Grundlagen

8 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Elektrochemische Spannungsreihe  Einordnung der Salze nach der Größe ihrer Potentialdifferenz, die sich an der Phasengrenze der Elemente ergibt  je unedler ein Metall um so:  negativer sein Potential  schneller oxidiert es  stärker wirkt es als Reduktionsmittel  stärker reagiert es mit Säuren und Wasser Grundlagen

9 Demo 2 Ionenwanderung

10 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Ionenwanderung  Permanganat Ionen wandern zur Anode  beim Anlegen eines Stroms bewegen sich Ionen im elektrischen Feld  wandern gemäß ihrer formalen Ladung  in flüssigen Lösungen nicht Elektronen sondern Ionen Ladungsträger Grundlagen

11 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Elektrochemische Zellen  bestehen aus zwei Leitern (Elektroden)  diese müssen mit einem elektrisch leitenden Medium (Elektrolyten) in Kontakt stehen  Zwei unterschiedliche Typen:  Galvanische Zelle  Elektrolysezelle Grundlagen

12 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen ZelltypElektr. Anschluss Elektroden- bezeichnung Reaktions- typ Galvanische Zelle Minuspol Pluspol Anode Kathode Oxidation Reduktion Elektrolyse- zelle Minuspol Pluspol Kathode Anode Reduktion Oxidation Grundlagen

13 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Galvanische Zelle  benannt nach Luigi Galvani  spontane chemische Reaktion wird zur Erzeugung des Stromes ausgenutzt  besteht im einfachsten Fall aus zwei verschiedenen Metallen  die elektrolytisch und metallisch leitend verbunden sind Galvanische Zellen

14 Versuch 1 Daniell-Element

15 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Anode:Zn (s) Zn (aq) + 2 e Kathode:Cu (aq) + 2 e Cu (s) ElektrodenreaktionenGesamtreaktion: Zn (s) + Cu (aq) Zn (aq) + Cu (s) Galvanische Zellen

16 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Elektrodenreaktionen im Überblick Galvanische Zellen

17 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Elektromotorische Kraft (EMK)  Potential einer galvanischen Zelle  je größer die Tendenz zum Ablaufen der chemischen Reaktion, desto größer die EMK  ist abhängig von:  beteiligten Substanzen  Konzentrationen der Lösungen  Temperatur Galvanische Zellen

18 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Berechnung der EMK Zn (s) /Zn 2+ (aq) || Cu 2+ (aq) /Cu (s) Nernst Gleichung Galvanische Zellen

19 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Berechnung der EMK Galvanische Zellen

20 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Kommerziell genutzte Zellen  Primärelement  nach Gebrauch nicht wieder aufladbar  Sekundärelement  wiederaufladbar Galvanische Zellen

21 Versuch 2 Leclanché Element

22 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Gesamtreaktion: Zn (s) + 2 NH 4 Cl (aq) + 2 MnO 2(s) [Zn(NH 3 ) 2 Cl 2 ] (aq) + MnO(OH) (s )Elektrodenreaktionen Kathode: 2 MnO 2 (s) + 2 H (aq) + 2 e 2 MnO(OH) (s) Anode: Zn (s) + 2 NH 4 Cl (aq) [Zn(NH 3 ) 2 Cl 2 ] (aq) + 2 H (aq) + 2 e Galvanische Zellen

23 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Elektrodenreaktionen im Überblick Anode Kathode Galvanische Zellen

24 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Alkali-Mangan-Batterie  ähnlich wie das Leclanché Element  enthalten NaOH oder KOH anstatt NH 4 Cl  längere Lebensdauer  höhere Spannung  teurer Galvanische Zellen

25 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Sekundärelement  wiederaufladbar  Entladen:Galvanische Zelle  Laden:Elektrolysezelle  sorgfältig ausgewählte Elektroden  Produkte der Entladereaktion müssen schwer löslich sein Galvanische Zellen

26 Versuch 3 Bleiakkumulator

27 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Schwefelsäure 20%ig 4 H 3 O e - 2 H H 2 O Formierung Kathode Anode Galvanische Zellen Blei Blei(IV)oxid +1 0 Pb (s) + 6 H 2 O (l) PbO 2(s) + 4 e H 3 O

28 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Entladevorgang Verbraucher Galvanische Zellen Anode SO 4 2- (aq) + Pb (s) PbSO 4(s) + 2 e - SO 4 2- (aq) + PbO 2(s) + 2 e H 3 O + (aq) PbSO 4(s) + 6 H 2 O (l) Kathode Bleisulfat

29 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Galvanische Zelle: Pb/Pb 2+ || PbO 2 /Pb 2+ Anode: PbSO 4(s) + 2 e Pb (s) + SO 4 2- (aq) Laden - Kathode: PbSO 4(s) + 6 H 2 O PbO 2(S) + SO 4 2- (aq) + 2 e + 4 H 3 O (aq) Laden - + Gesamtreaktion: 2 PbSO 4(s) + 2 H 2 O Pb (s) + PbO 2(s) + 2 H 2 SO 4(aq) Entladen Laden Galvanische Zellen

30 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Aufbau eines Bleiakkus (Autobatterie) Galvanische Zellen

31 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Elektrolyse  Redoxreaktionen, die nicht spontan ablaufen  Unterschiede zur galvanischen Zelle:  2 Elektroden im selben Elektrodenraum  nur einen Elektrolyten Elektrolysezelle

32 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Prinzip der Elektrolyse  mit elektrischem Strom eine Reaktion entgegen ihrer spontanen Richtung zu erzwingen  größere Spannung anlegen, als Reaktion bei ihrer spontanen Richtung liefert  Entscheidend für die Produkte:  angelegte Spannung Elektrolysezelle

33 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Elektrolysezelle ZelltypElektr. Anschluss Elektroden- bezeichnung Reaktions- typ Elektrolyse- zelle Pluspol Minuspol Anode Kathode Oxidation Reduktion Galvanische Zelle Pluspol Minuspol Kathode Anode Reduktion Oxidation

34 Versuch 4 Elektrolyse von Wasser

35 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Anode: 4 OH (aq) O 2(g) + 2 H 2 O (l) + 4 e - - Kathode: 4 H 3 O (aq) + 4 e 2 H 2(g) + 4 H 2 O (l) - + Elektrodenreaktionen Gesamtreaktion: 2 H 2 O (l) 2 H 2(g) + O 2(g) Elektrolysezelle

36 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Auswertung des V/t Diagramms I = 0,2 A Elektrolysezelle

37 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Auswertung des I/t Diagramms t = 2 min. Elektrolysezelle

38 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Ergebnis der quantitativen Elektrolyse  Anhand der Versuche ist folgendes gezeigt worden:  V ~ t (I = konst.)  V ~ I (t = konst.)  Volumina der abgeschiedenen Gase sind dem Produkt aus Stromstärke und Zeit proportional  V ~ I · t bzw. V ~ Q Elektrolysezelle

39 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Herleitung des 1. Faraday-Gesetzes  mit dem molaren Volumen V m = V/n erhält man n  n ~ I · t bzw. n ~ Q  z ist Anzahl der Elektronen, die für die Abscheidung eines Teilchens übertragen werden  Q = I · t = N · e · z Elektrolysezelle

40 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen  mit N = n · N A  Q = N · e · z = n · N A · e · z = n · F · z  F = N A · e = C · mol -1  um 1 Mol einfach geladener Ionen an einer Elektrode zu entladen braucht man:  Q = 1 mol · F = C Herleitung des 1. Faraday-Gesetzes 1. Faraday-Gesetz Elektrolysezelle

41 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Herleitung des 2. Faraday-Gesetzes  Das Verhältnis der Stoffmengen n 1 /n 2 von Portionen verschiedener Elektrolyseprodukte, die durch die gleiche elektrische Ladung abgeschieden werden folgt aus: Q = n 1 · z 1 · F = n 2 · z 2 · F Q = n 1 · z 1 · F = n 2 · z 2 · F 2. Faraday-Gesetz Elektrolysezelle

42 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen 2. Faraday-Gesetz Anode: 4 OH (aq) O 2(g) + 2 H 2 O (l) + 4 e - - Kathode: 4 H 3 O (aq) + 4 e 2 H 2(g) + 4 H 2 O (l) - + n 1 = 2 mol H 2 n 2 = 1 mol O 2 z 1 = 2 Elektronen z 2 = 4 Elektronen 2. Faraday-Gesetz Elektrolysezelle

43 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Einsatzgebiete  Industrie  Haushalt  Handys Einsatz

44 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Lehrplan (G8)  10.1 Redoxreaktionen  Elektrochemische Spannungsquellen  Elektrolyse  12.2 LK Elektrochemie (Wahlpflicht)  Nernst Gleichung Lehrplan

45 BegriffsklärungElektrolysezelleGalvanische ZellenEinsatzLehrplanDidakt. Aspekte Grundlagen Didaktische Aspekte  Fächerübergreifender Unterricht  Physik  Politik/Wirtschaft  einfach durchführbare Experimente  hoher Alltagsbezug Didakt. Aspekte

46 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !


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