Leite aus der Elektronenkonfiguration des Kupferatoms die häufigsten Oxidationszahlen ab.

Eine Grundlage der Elektrochemie ist der Ladungstransport durch freibewegliche Ionen. Elektrolyte sind Stoffe, die diesen Ladungstransport ermöglichen.

Erkläre die Begriffe potentielle und echte Elektrolyte und gib jeweils ein Beispiel dafür an.

Ein Kupferblech wird in eine Kupfer(II)-sulfat-Lösung getaucht.

Erläutere an diesem Beispiel die Entstehung eines elektrochemischen Potenzials.

Durch die Kombination zweier Kupferelektroden wird eine galvanische Zelle aufgebaut, die durch folgendes Zelldiagramm gegeben ist:

Fertige eine beschriftete Skizze an und erläutere die Funktionsweise dieser galvanischen Zelle.

Berechne die Zellspannung.

In die Donatorzelle wird Natriumsulfidlösung gegeben.

Erkläre die Veränderung am Spannungsmessgerät.

Kupfererze, die einen sehr geringen Kupferanteil enthalten, werden mit Schwefelsäure und Luft behandelt. Dabei lösen sich Kupfer(II)-Ionen heraus. Anschließend gibt man Eisenschrott hinzu.

Begründe diese Methode der Kupfergewinnung.

Elektronenkonfiguration:

Die Elektronenkonfiguration des Grundzustandes – ein energetisch günstiger Zustand mit einem vollen d-Orbital und einem halbvollen s-Orbital – OZ 0

Durch den Verlust eines Elektrons wird ein stabiler Zustand mit einem vollen d-Orbital und einem leeren s-Orbital erreicht – OZ +1

Die OZ +2 ist über die Elektronenkonfiguration nicht ohne Weiteres ableitbar, da die besondere Stabilität in wässrigen Lösungen durch Hydratationseffekte hervorgerufen wird. (Elektronenkonfiguration ).

Begriff	Definition	Beispiele
Potentielle Elektrolyte	Stoffe, die erst durch eine chemische Reaktion mit Wasser Ionen ausbilden, die als Ladungsträger auftreten	, ,
Echte Elektrolyte	Stoffe, die im festen Aggregatzustand aus Ionen aufgebaut sind und beim Lösen in diese Ionen als Ladungsträger zerfallen	, , usw.

Erläutern

Das elektrochemische Potenzial entsteht durch die Ladungstrennung zwischen einer festen Phase und einer Lösung. In dem angegebenen Falle werden:

• aus einigen Kupferatomen des Kupferblechs positive Kupfer(II)-Ionen gebildet und in die Lösung freigesetzt,

• die abgegebenen Elektronen im Kupferblech zurückgehalten, wodurch das Blech negativ aufgeladen wird,

• positiv geladen -Ionen in der Lösung konzentriert, wodurch die Lösung positiv aufgeladen wird.

Durch das beschriebene Ladungsungleichgewicht entsteht das elektrochemische Potenzial.

Durch die Anziehung zwischen dem negativen Stab und den positiven Ionen entsteht eine elektrochemische Doppelschicht, in der sich ein Gleichgewicht zwischen der Bildung der (hydratisierten) Metall-Ionen und der Rückbildung der Metallatome einstellt. Dieses Gleichgewicht bestimmt die Höhe des Potenzials.

Skizze

Es handelt sich um ein Konzentrationselement, bei dem der Unterschied der Ionenkonzentrationen in den Halbzellen nach der Nernst’schen Gleichung zu einer Ausbildung von Spannung führt.

Funktionsweise:

• Die Metallelektrode in der weniger konzentrierten Lösung löst sich auf und die -Ionen-Konzentration in der Elektrolytlösung steigt – Donatorzelle, da Elektronen bereitgestellt werden

• Freigewordene Elektronen wandern durch den Stromkreis zur anderen Halbzelle – elektrischer Strom entsteht

• -Ionen aus der konzentrierteren Lösung werden zu Kupferatomen reduziert, ihre Konzentration sinkt – Akzeptorzelle, da Elektronen verbraucht (also angenommen) werden

• Die Salzbrücke führt zum Anionenaustausch und damit Ladungsausgleich

• Der Prozess hört auf, wenn die Konzentration der -Ionen in beiden Halbzellen gleich groß ist, d.h. das Elektrodenpotenzial der Halbzellen gleich ist.

Spannung:

Erklärung:

Durch die Zugabe werden Kupfer-Ionen ausgefällt – ihre Konzentration sinkt, das ursprüngliche Konzentrationsungleichgewicht nimmt zu – nach der Nernst'schen Gleichung steigt die Potenzialdifferenz und damit auch die Spannung.

Begründen

Die schwefelsaure Umgebung löst enthaltene Salze, bzw. Hydroxide, der Sauerstoff oxidiert vorhandene -Salze zu -Salzen.

Eisen hat einen kleineren Redox-Potenzial als Kupfer, deshalb wird das Edelmetall Kupfer von dem unedlen Metall Eisen reduziert und aus der Lösung ausgeschieden.