Elektrochemie: Definitionen, Leiter und Batterietechnologien
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Elektrochemie: Grundlagen und Anwendungen
Die Elektrochemie ist das Studium der Umwandlung zwischen elektrischer Energie und chemischer Energie.
Die Elektrolyse
Die Elektrolyse ist die Zerlegung eines Stoffes durch elektrischen Strom.
Elektrische Leiter
Als Leiter werden Substanzen bezeichnet, die den Durchgang von elektrischem Strom ermöglichen. Sie werden eingeteilt in:
Leiter erster Art (Elektronenleiter)
Metalle sind Leiter erster Art. Sie leiten elektrischen Strom, ohne dabei ihre Struktur zu verändern.
Leiter zweiter Art (Ionenleiter/Elektrolyte)
Verbindungen, die geschmolzen oder in Lösung elektrischen Strom leiten, wobei jedoch chemische Bindungen gebrochen und die Stoffe umgewandelt werden.
Hinweis: Verbindungen mit kovalenten Bindungen leiten in der Regel keinen Strom.
Anwendungen der Elektrolyse
Galvanik
Ein dünner Metallfilm wird auf ein weniger korrosionsbeständiges Metall aufgebracht, um Korrosion zu verhindern (z.B. Verchromen, Vergolden).
Gewinnung reiner Metalle
Ein Prozess zur Trennung oder Gewinnung reiner Metalle und anderer Substanzen mittels Elektrolyse. Zum Beispiel die Gewinnung von Aluminium aus Bauxit oder die Zerlegung von Natriumchlorid in Natrium und Chlor.
Anodisieren
Wird verwendet, um Metalle (insbesondere Aluminium) durch die Bildung einer schützenden Oxidschicht vor Korrosion zu schützen.
Weitere industrielle Anwendungen
Herstellung von Brennstoffen (z.B. Wasserstoff für Schweißen) und Chemikalien.
Daniell-Zelle
Die Daniell-Zelle ist eine galvanische Zelle, die aus einer Kupferplatte und einer Zinkplatte besteht. Die Zinkplatte ist in eine Zinksulfatlösung und die Kupferplatte in eine Kupfersulfatlösung eingetaucht. Beide Platten, auch Elektroden genannt, sind durch einen externen elektrischen Leiter (z.B. Kupferdraht) und die Lösungen durch eine Salzbrücke verbunden.
Dabei oxidieren Zinkatome an der Zinkelektrode und geben Elektronen ab, die als positive Zinkionen in Lösung gehen. Gleichzeitig werden positive Kupferionen in der Kupfersulfatlösung an der Kupferelektrode reduziert, nehmen Elektronen auf und scheiden sich als metallische Kupferatome ab.
Blei-Akku
Ein Blei-Akku besteht aus einem Behälter mit einer Lösung von Schwefelsäure als Elektrolyt. In diese Lösung sind zwei Platten eingetaucht: eine aus Bleioxid (PbO₂) und eine aus fein verteilt aufgerautem Blei (schwammiges Blei).
Die Bleioxidplatte dient als positiver Pol der Batterie und die Bleiplatte als negativer Pol. Zwischen ihnen besteht eine Nennspannung von 2 Volt pro Zelle.
Oxidationspotential
Das Oxidationspotential ist die Potentialdifferenz, gemessen mit einem Voltmeter, zwischen einer Halbzelle eines bestimmten Elements und einer Standard-Halbzelle (z.B. der Standard-Wasserstoffelektrode). Es misst die Tendenz eines Elements zur Oxidation.
Elektrochemische Spannungsreihe
Die Elektrochemische Spannungsreihe ist eine Tabelle, die die Standard-Oxidationspotentiale (oder Reduktionspotentiale) von Elementen auflistet und deren Reaktivität anzeigt.
Korrosion
Korrosion ist die Zerstörung eines Materials (insbesondere Metalle) aufgrund elektrochemischer Reaktionen mit seiner Umgebung.
Batterietypen und ihre Reaktionen
Trockenbatterie (Leclanché-Zelle)
Oxidation (Anode)
Zn → Zn2+ + 2e-
Reduktion (Kathode)
2 MnO₂ + 2 NH₄⁺ + 2e- → Mn₂O₃ + 2 NH₃ + H₂O
Alkaline-Batterie
Oxidation (Anode)
Zn + 2 OH- → ZnO + H₂O + 2e-
Reduktion (Kathode)
2 MnO₂ + H₂O + 2e- → Mn₂O₃ + 2 OH-
Lithium-Batterie
Oxidation (Anode)
Li → Li+ + e-
Reduktion (Kathode)
Ti + e- → Ti
Nickel-Cadmium-Batterie
Anode
Cd + 2 OH- → Cd(OH)₂ + 2e-
Kathode
NiO(OH) + H₂O + e- → Ni(OH)₂ + OH-
Quecksilberoxid-Batterie
Anode
Zn + 2 OH- → ZnO + H₂O + 2e-
Kathode
HgO + H₂O + 2e- → Hg + 2 OH-
Blei-Säure-Zelle
Anode
Pb + SO₄2- → PbSO₄ + 2e-
Kathode
PbO₂ + SO₄2- + 4 H⁺ + 2e- → PbSO₄ + 2 H₂O
Brennstoffzelle (Wasserstoff-Sauerstoff)
Anode
2 H₂ + 4 OH- → 4 H₂O + 4e-
Kathode
O₂ + 2 H₂O + 4e- → 4 OH-