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Simulator für galvanische Zellen und Elektrolyse

Gleichungen in dieser Simulation

E°cell = E°cathode − E°anode
E°Standardelektrodenpotentialgegen Wasserstoff bei 1 mol/L und 25 °C gemessen; das Metall mit dem niedrigeren E° gibt Elektronen ab und ist die Anode
E°cellStandardzellspannungdie Spannung, wenn beide Lösungen 1 mol/L haben; positiv heißt, die Zelle läuft von selbst

Mit den aktuellen Werten:

E = E°cell − (R T ÷ n F) ln Q
nübertragene Elektronen2 bei Zink und Kupfer
FFaraday-Konstante96.485 C pro Mol Elektronen
QReaktionsquotient[Ion an der Anode] ÷ [Ion an der Kathode], jeweils hoch seinem Anteil an n; während die Zelle läuft, steigt Q und E sinkt, bis die Zelle leer ist
EZellspannung jetztwas das Voltmeter anzeigt, wenn kein Strom fließt

Mit den aktuellen Werten:

ΔG = −n F E
ΔGGibbs-Energie der Zellreaktionnegativ bei einer Zelle, die von selbst läuft; −212 kJ/mol beim Daniell-Element

Mit den aktuellen Werten:

I = E ÷ (R + r), Stoffmenge = I t ÷ (z F)
IStromr = 5 Ω ist der Innenwiderstand der Zelle
Stoffmengegelöstes oder abgeschiedenes MetallFaradaysches Gesetz: jedes Mol eines 2+-Ions braucht zwei Mol Elektronen

Mit den aktuellen Werten:

2 H₂O → 2 H₂ + O₂, n(H₂) = Q ÷ 2F, n(O₂) = Q ÷ 4F, V = n R T ÷ p
Qgeflossene LadungI × t; die Quelle muss mindestens 1,23 V liefern, plus etwa 0,6 V, um die Reaktionen anzutreiben
VVolumen jedes Gasesbei 25 °C und 1 atm 24,5 L pro Mol: doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff

Mit den aktuellen Werten:

So benutzt du den Simulator für galvanische Zellen und Elektrolyse

  1. Wähle für eine galvanische Zelle auf jeder Seite ein Metall, das jeweils in einer Lösung seiner eigenen Ionen steht, verbunden durch einen Draht und eine Salzbrücke. Das Metall mit dem niedrigeren Standardpotential ist die Anode: es löst sich auf und gibt Elektronen ab, die durch den Draht zur anderen Elektrode laufen, wo Metallionen sie aufnehmen und sich abscheiden. Das Messgerät zeigt die Zellspannung.
  2. Ändere die Konzentrationen, um zu sehen, wie die Nernst-Gleichung die Spannung verschiebt, und senk den Lastwiderstand, um mehr Strom zu ziehen. Lass die Zelle laufen und sieh, wie die Anode dünner und die Kathode dicker wird und, bei Kupfer, die blaue Lösung verblasst, während die Spannung langsam sinkt; die Diagramme verfolgen es. Der Nernst-Gleichung-Rechner berechnet das Potential einer Halbzelle bei jeder Konzentration.
  3. Wechsle zur Elektrolyse von Wasser und stell die Spannung der Quelle ein. Über etwa 1,8 V spaltet der Strom Wasser: Wasserstoff sammelt sich über der negativen Elektrode und Sauerstoff über der positiven, doppelt so viel Wasserstoff, wie es die Faradayschen Gesetze aus der geflossenen Ladung vorhersagen.

Häufige Fragen

Wie erzeugt eine galvanische Zelle Strom?

Zwei Metalle halten ihre Elektronen unterschiedlich fest, gemessen an ihren Standardelektrodenpotentialen. Zink (−0,76 V) gibt seine Elektronen bereitwilliger ab als Kupfer (+0,34 V), darum lösen sich im Daniell-Element Zinkatome als Zn²⁺, die Elektronen fließen durch den Draht, und Cu²⁺-Ionen nehmen sie an der Kupferelektrode auf. Die Salzbrücke lässt Ionen zwischen den Bechergläsern wandern, damit beide Lösungen neutral bleiben; ohne sie hört der Strom sofort auf.

Wie berechne ich die Zellspannung?

E°Zelle = E°Kathode − E°Anode, mit beiden Lösungen bei 1 mol/L: 0,34 − (−0,76) = 1,10 V für Zink und Kupfer. Bei anderen Konzentrationen korrigiert die Nernst-Gleichung: E = E° − (RT ÷ nF) ln Q, mit Q = [Zn²⁺] ÷ [Cu²⁺]. Zehnmal mehr Zink- als Kupferionen senken die Spannung um etwa 30 mV.

Was ist das Faradaysche Gesetz der Elektrolyse?

Die an einer Elektrode gebildete oder verbrauchte Stoffmenge ist proportional zur geflossenen Ladung: Stoffmenge = Q ÷ (zF), mit Q = I × t, z der Zahl der Elektronen pro Ion und F = 96.485 C/mol. Wasserspaltung braucht 2 Elektronen pro Wasserstoffmolekül und 4 pro Sauerstoffmolekül, darum sammelt sich genau doppelt so viel Wasserstoff.

Warum braucht die Elektrolyse von Wasser mehr als 1,23 V?

1,23 V ist das thermodynamische Minimum, die Zellspannung der umgekehrt laufenden Reaktion. In der Praxis brauchen die Elektrodenreaktionen einen zusätzlichen Schub, die Überspannung, und die Lösung hat einen Widerstand, darum laufen echte Zellen bei 1,8 bis 2,5 V. Reines Wasser leitet kaum, darum gibt man einen Elektrolyten wie Natriumsulfat zu; er trägt den Strom, ohne verbraucht zu werden.

Es heißt, WebGL sei abgeschaltet.

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Nein. Die Simulation zeichnet dein eigener Browser mit WebGL; nichts wird irgendwohin gesendet, und sie läuft auch offline weiter, sobald die Seite geladen ist.

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