Aufgabe 4 – Galvanische Zelle

Die elektrochemische Spannungsreihe ist ein wichtiges Hilfsmittel für qualitative und quantitative Betrachtungen.

Leite Aussagen über das Verhalten von Metallen gegenüber verdünnter Säuren aus der Spannungsreihe ab.

Taucht man Nickel in eine Nickelsulfatlösung, bildet sich ein Potenzial aus.

Erkläre die dabei ablaufenden Vorgänge.

Nenne und begründe Faktoren, die das Potenzial beeinflussen.

Erläutere Bedingungen, unter denen eine Spannung gemessen werden kann.

Skizziere und beschrifte eine galvanische Zelle, die eine Spannung von etwa 1,5 V liefert.

Gib die Elektrodenreaktionen an und begründe die Wahl des Elektrodenmaterials.

Ableiten

Für das Verhalten der Metalle ist das Vorzeichen des Standardpotenzials von Bedeutung.

Negatives Vorzeichen – Metalle werden oxidiert und Wasserstoff reduziert.

Die Metalle reagieren mit verdünnten Säuren unter Wasserstoffentwicklung, wobei Metallionen entstehen.

(Unedle Metalle)

Je größer der Betrag, desto reaktionsfreudiger.

Positives Vorzeichen – Metalle werden reduziert und Wasserstoff oxidiert.

Die Metalle reagieren mit verdünnten Säuren nicht. (edle Metalle)

Erklärung der Vorgänge

1. Nickel wird zu -Ionen oxidiert und die entstandenen Ionen hydratisiert. Elektronen verbleiben im Nickelstab.

2. Ladungstrennung zwischen Lösung und Metall führt zur elektrischen Potenzialdifferenz.

3. Ein Teil der Ionen wird an die Metalloberfläche angezogen – es bildet sich elektrochemische Doppelschicht.

4. In der elektrochemischen Doppelschicht entsteht ein elektrochemisches Gleichgewicht, in dem Metallionen und Metallatome gleich schnell entstehen und in den Rückreaktionen wieder zurück umgewandelt werden.

Nennen und Begründen von Faktoren

• Art des Metalls + Begründung, z.B.:
  Das Potenzial hängt von der Neigung des Metalls ab, Elektronen abzugeben und als Ion in Lösung zu gehen. Unedle Metalle geben Elektronen leichter ab, dadurch entsteht ein anderes Potenzial als bei edleren Metallen. Nickel besitzt also ein eigenes charakteristisches Elektrodenpotenzial für das Gleichgewicht:

  Ni ⇌ Ni²⁺ + 2e⁻

• Temperatur + Begründung, z.B.:
  Die Temperatur beeinflusst die Bewegung der Teilchen und damit das Gleichgewicht zwischen Metallatomen und Metallionen. Bei höherer Temperatur bewegen sich die Teilchen stärker, außerdem verändert sich das Potenzial nach der Nernst-Gleichung, weil dort die Temperatur enthalten ist.

• Konzentration der Lösung + Begründung, z.B.:
  Die Konzentration der -Ionen beeinflusst das Gleichgewicht. Bei höherer -Konzentration gehen weniger Nickelatome als Ionen in Lösung bzw. die Rückreaktion wird begünstigt. Dadurch verändert sich die Ladungstrennung an der Metalloberfläche und damit das Potenzial. Nach der Nernst-Gleichung gilt: Je größer die Ionenkonzentration, desto stärker verändert sich das Elektrodenpotenzial.

Begründung über allgemeine Überlegungen zum chemischen Gleichgewicht und Stoffeigenschaften.

Spannung wird gemessen bei einer Verbindung zu einer anderen Halbzelle mit einem unterschiedlichen Potenzial

• Andere Art der Halbzelle (andere Metalle, oder andere Redox-Formen desselben Metalls)

• Andere Konzentration der Lösung bei der gleichen Art der Halbzelle

• Temperaturelement

Skizze

Beschriftung

• Voltmeter

• Salzbrücke

• Metallstab

• Lösung

• Leitende Verbindung

• Halbzelle

Wahl des Materials steht dir frei, eine mögliche Eletrodenkombination ist

Andere Kombinationen sind denkbar, die Fachlehrer müssen dann die vorgeschlagene Lösung überprüfen.

Anode:

Kathode:

Begründung