Galvanesch Zellen

Eng galvanesch Zell schaaft keng nei Chimie. Si trennt Oxidatioun a Reduktioun vun enger spontaner Redoxreaktioun, esou datt d’Elektronen duerch e baussenzege Circuit fléissen an do elektresch Aarbecht leeschte kënnen.

D’Redoxreaktioun ass raimlech getrennt. Elektrone lafen duerch de baussenzege Circuit, wärend Ionen duerch d’Elektrolytverbindung wanderen an eng Opluedung vun de Hallefzelle verhënneren.

D’Zell aus zwou Hallefreaktiounen opbauen

Oxidatioun un der Anod, Reduktioun un der Kathod

D’Daniell-Zell trennt Oxidatioun a Reduktioun, déi bei direktem Kontakt hir Elektrone lokal géifen austauschen. Um Zink geschitt d’Oxidatioun, um Koffer d’Reduktioun.

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻ Oxidatioun

Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) Reduktioun

Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s) Gesamtreaktioun

Oxidatioun ass ëmmer un der Anod, Reduktioun ëmmer un der Kathod. An enger galvanescher Zell verloossen d’Elektronen spontan d’Anod a fléissen duerch de baussenzege Circuit op d’Kathod.

D’Salzbréck mécht den ionesche Circuit zou

Firwat den Ionentransport noutwendeg ass

De Metalldrot féiert Elektronen, mee ouni Ionebewegung géif de Stroum séier ophalen. Wann Zn oxidéiert gëtt, géif seng Hallefzell ëmmer méi positiv ginn; op der Koffersäit gi Cu²⁺-Ione verbraucht.

D’Salzbréck erlaabt Ionewanderung: Anione beweegen sech a Richtung Anod, Katione Richtung Kathod. D’Salzbréck transportéiert keng Elektronen. Si hält d’Elektroneutralitéit an de Léisungen oprecht.

Zellnotatioun weist d’Reiefolleg vun de Phasen

D’Phasengrenzen richteg liesen

Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s)

Eng eenzel Stréchmarkéierung trennt zwou Phasen; déi duebel Stréch steet fir d’Flëssegkeetsverbindung oder d’Salzbréck. Vu lénks no riets gelies entsprécht d’Notatioun der physescher Sequenz duerch d’Zell.

Zellpotential a Spontaneitéit

Vun der Spannung zur fräier Energie

Standard-Elektrodepotentialer ginn als Reduktiounspotentialer tabelléiert. Fir eng galvanesch Zell:

E°_Zell = E°_Kathod − E°_Anod

Cu²⁺/Cu: +0,34 V; Zn²⁺/Zn: −0,76 V → E°_Zell = +1,10 V

E positive E_Zell bedeit, datt d’Reaktioun ënner de genannte Bedéngungen an där Richtung spontan ass. Thermodynamesch gëllt ΔG = −nFE_Zell.

En Elektrodepotential däerf net mat engem stöchiometresche Faktor multiplizéiert ginn. Potential ass intensiv: d’Elektronebilanz ännert d’Reaktiounsmeng, net d’Spannung vun enger Hallefreaktioun.

Eng positiv Zellspannung entsprécht engem negativen ΔG. Béid beschreiwen déi selwecht spontan Richtung: ΔG = −nFE.

D’Zesummesetzung ännert d’Spannung: Nernst-Gleichung

E° beschreift Standardzoustände. Bei anere Konzentratiounen oder Aktivitéiten korrigéiert de Reaktiounsquotient d’Driffkraaft:

E = E° − (RT/nF) ln Q

Fir Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu mécht méi Zn²⁺ oder manner Cu²⁺ de Q méi grouss an E méi kleng. Beim Entluede geet also déi chemesch Méiglechkeet fir elektresch Aarbecht ze liwweren zeréck.

Am Gläichgewiicht ass ΔG=0 an E=0. D’Nernst-Gleichung ass déi selwecht Gläichgewiichtsthermodynamik, a Volt ausgedréckt.

Gläichgewiichtspotential a Spannung ënner Belaaschtung

De berechente Potential gehéiert zur reversibeler Grenz an ass am beschten duerch eng Leerlafmessung mat bal null Stroum approximéiert. Soubal d’Zell e Verbraucher versuergt, ass d’Klemmespannung meeschtens méi kleng.

Intern Resistenz, Ladungstransferkinetik a Massentransport verursaache Verloschter an Iwwerspannungen. Eng favorabel Reaktioun eleng garantéiert also keng héich Leeschtung am reale Circuit.

Galvanesch an elektrolytesch Zellen: d’Definitioune bleiwen

Anod = Oxidatioun a Kathod = Reduktioun a béiden Zellentypen. Nëmmen d’Elektrodesigner an d’Quell vun der Driffkraaft änneren.

An enger spontaner galvanescher Zell ass d’Anod negativ an d’Kathod positiv. An enger elektrolytescher Zell zwéngt eng extern Spannungsquell déi net spontan Richtung, an d’Zeeche sinn ëmgedréint.

Übungen

Elektroden an Elektronefloss

An enger spontaner Mg/Mg²⁺ || Ag⁺/Ag-Zell: wat ass d’Anod a wouhin fléissen d’Elektronen?

Léisung

Mg ass d’Anod a gëtt oxidéiert. D’Elektrone fléisse vum Magnesium duerch de baussenzege Circuit op d’Sëlwerelektrod.

Standardspannung

E°(Ag⁺/Ag)=+0,80 V an E°(Cu²⁺/Cu)=+0,34 V. Wéi grouss ass E° wann Ag⁺ reduzéiert a Cu oxidéiert gëtt?

Léisung

E°_Zell=0,80−0,34=+0,46 V.

Salzbréck

Firwat fält de Stroum séier, wann d’Salzbréck ewechgeholl gëtt, obwuel de Metalldrot bleift?

Léisung

Well Ladungstrennung entsteet. Ouni Ionewanderung geet d’Elektroneutralitéit an den Hallefzelle verluer an de weideren Elektronentransfer gëtt gebremst.