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Elektrochemie

Leitfähigkeit von Wasser

Reines Wasser leitet überraschenderweise den elektrischen Strom kaum. Doch jedes Kind weiß, wie gefährlich ein Fön in der Badewanne ist. Dies scheint ein Widerspruch zu sein, oder?
Machen wir den Versuch mit reinem Wasser und einer Glühbirne, so leuchtet die Glühbirne nicht. Erst, wenn wir etwas Salz in das Wasser streuen, beginnt die Glühbirne zu leuchten.

Elektrolyse von Kochsalz

Wie wir wissen, besteht Kochsalz aus Ionen. Wir wissen auch, dass sich das Salz in Wasser auflöst. (siehe chemische Reaktionen)
Die dabei frei in der Lösung beweglichen Ionen scheinen für die Leitfähigkeit verantwortlich zu sein

Die Animation veranschaulicht, was in der Lösung geschieht, dargestellt durch zwei Teilchen. In Wirklichkeit tun das natürlich Trillionen von Teilchen, was jedoch in der Darstellung etwas unübersichtlich wäre.

Am Minuspol besteht ein Elektronenüberschuss. Die dort bestehende negative Ladung zieht positive Teilchen an. Diese bewegen sich zum Minuspol und erhalten dort Elektronen. Für die Natrium-Ionen bedeutet das, dass sie ihr fehlendes Elektron zurückerhalten und wieder zu Natriumatomen werden.
Da das Alkalimetall Natrium sofort wieder mit Wasser zu Natronlauge unter Bildung von Wasserstoff reagiert, kann man allerdings keine Natriumabscheidung am Minuspol beobachten. Vielmehr kann man die Bildung von Natronlauge mit Phenolphthalein sichtbar machen (Pinkfärbung).
Am Pluspol besteht ein Elektronenmangel. Negative Teilchen werden von ihm angezogen, da er positiv geladen ist.. Die Chloridionen , die ja negativ geladen sind, bewegen sich somit zum Pluspol. Dort geben sie ihr überschüssiges Elektron ab und werden wieder zu Chloratomen.
Jeweils zwei Chloratome verbinden sich zu einem Chlormolekül, das als Gas entweicht. Die Entstehung von Chlor kann man am Geruch und einer Gelbgrünfärbung des Wassers erkennen.



Test 1 Elektrochemie

Elektrolyse von Wasser

Da Wasser den elektrischen Strom nicht leitet, funktioniert auch eine Elektrolyse von reinem Wasser nicht. Ein wenig Schwefelsäure stellt allerdings sofort die Leitfähigkeit her, erkennbar daran, dass sofort an beiden Elektroden Bläschen aufsteigen.

Der Versuch kann mit dem Zerstzungsapparat nach Hoffmann durchgeführt werden.

Hoffmannscher Zersetzungsapparat

Versuch starten

Die Bläschen zeigen an, dass an beiden Elektroden ein Gas entsteht. Fängt man diese Gase auf, so kann man prüfen, worum es sich handelt.

Das Gas am Minuspol zeigt eine positive Knallgasprobe, was es als Wasserstoff ausweist.

Das Gas am Pluspol zeigt eine positive Glimmspanprobe, was es als Sauerstoff ausweist.

Folgende Reaktionen laufen dabei ab:

Minuspol:
H3O+ + e- --> H2O + 1/2 H2

Pluspol:
SO42- --> SO4- + e-
2 SO4- + H2O --> HSO4- + 1/2 O2
HSO4- + H2O --> SO42- + H3O+

Wie man sieht, bildet sich das Sulfat-Ion zurück, zersetzt wird also tatsächlich Wasser, nicht die Schwefelsäure. Sie wird nicht verbraucht, dient also als Katalysator.

Galvanische Elemente und Batterien

Ein Galvanisches Element ist eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus chemischer Energie. Benannt wurden diese Geräte nach dem italienischen Forscher Luigi Galvani (* 9. September 1737 in Bologna, Italien; † 4. Dezember 1798 ebenda).

Ein typischess Beispiel ist das Daniell-Element.

Hierbei steckt in einer Kupfersulfatlösung eine Kupferelektrode und in einer Zinksulfatlösung eine Zinkelektrode. Beide Halbzellen sind über eine durchlässige Membran oder eine Salzbrücke ionenleitend miteinander verbunden.
Eine Kupfersulfatlösung enthält Kupferionen und Sulfationen, eine Zinksulfatlösung enthält Zinkionen und Sulfationen. Die Sulfationen haben an den ablaufenden Reaktionen keinen Anteil. Sie dienen als Ladungsausgleich für die positiven Metallionen.



An der Kupferelektrode, der Kathode, nehmen Kupferionen, die sich in der Lösung befinden, Elektronen auf und setzen sich als elementares Kupfer ab. Damit wird positive Ladung auf die Kupferelektrode transportiert, Sie lädt sich positiv auf und wir erhalten einen Pluspol. Als Reaktionsschemakann man das so schreiben:

Cu2+ + 2e- --> Cu

An der Zinkelektrode lösen sich Zinkatome als Zinkionen ab und gehen in Lösung. Sie hinerlassen dabei jeweils zwei Elektronen auf der Zinkelektrode. Dadurch lädt sich die Zinkelektrode negativ auf, wir erhalten einen Minuspol. Als Reaktionsschema schreiben wir:

Zn --> Zn2+ + 2e-

An der Kupferelektrode entsteht ein Elektronenmangel, an der Zinkelektrode entsteht ein Elektronenüberschuss. Werden nun beide Elektroden durch einen Elektrischen Leiter verbunden, gleicht sich die Ladung aus, indem die Elektronen von der Zinkelektrode zur Kupferelektrode wandern. Es fließt ein elektrischer Strom.

Auf diese Weise wandern Elektronen, also negative Ladung, von der Zinkhalbzelle zur Kupferhalbzelle, d.h. die Kupferhalbzelle würde sich insgesamt negativ aufladen. Man kann das auch so begründen:
Dadurch, dass der Kupfersulfatlösung die positiven Kupferionen entzogen werden, sind die negativen Sulfationen im Überschuss. Das würde verhindern, dass weitere Kupferionen sich aus der Lösung abscheiden.
Auf der anderen Seite kommen die positiven Zinkionen in Überschuss. Das würde verhindern, dass weitere Zinkionen in Lösung gehen.

Über die durchlässige Wand zwischen den beiden Halbzellen, können sich die Ionen ausgleichen. Zinkionen wandern also in Richtung der Kupferelektrode. Sie ersetzen die fehlenden Kupferionen, die sich in Kupferatome umgewandelt haben.