Elektrochemie: Lernleitfaden

Kernideen

Die Elektrochemie verbindet chemische Reaktionen mit elektrischer Energie. In einer galvanischen Zelle liefert eine spontane Redoxreaktion Spannung, und bei der Elektrolyse treibt ein angelegter Strom eine Reaktion an.

• Die Oxidation findet an der Anode statt, die Reduktion an der Kathode. Die Zellspannung ist E°_Zelle = E°_Kathode − E°_Anode, und ein positiver Wert bedeutet eine freiwillig ablaufende Zelle.
• Die freie Enthalpie ist ΔG° = −nFE° mit F = 96 485 C/mol und n der Zahl der übertragenen Elektronen.
• Außerhalb der Standardbedingungen liefert die Nernst-Gleichung E = E° − (0,0592 ÷ n) log₁₀ Q bei 25 °C.
• Faradaysches Gesetz der Elektrolyse: Stoffmenge der Elektronen = It ÷ F, und die abgeschiedene Masse ist m = ItM ÷ (nF).

Wichtige Gleichungen

• E°_cell = E°_cathode − E°_anode
• ΔG° = −nFE°
• E = E° − (0.0592 ÷ n) log₁₀ Q (25 °C)
• m = ItM ÷ (nF)
• F = 96 485 C/mol

Durchgerechnetes Beispiel

Für Zn | Zn²⁺ ‖ Cu²⁺ | Cu ist E° = 0,34 − (−0,76) = 1,10 V und ΔG° = −2 × 96 485 × 1,10 = −212 kJ/mol. Bei [Zn²⁺] = 1,0 M und [Cu²⁺] = 0,010 M ist Q = 100 und E = 1,10 − (0,0592 ÷ 2) × log 100 = 1,10 − 0,059 = 1,04 V. Verkupfern mit 2,0 A über 30 min scheidet m = 2,0 × 1800 × 63,5 ÷ (2 × 96 485) = 1,2 g ab.

Häufige Fehler

• Die Potenziale in der falschen Reihenfolge subtrahieren oder E° ändern, wenn eine Halbreaktion mit einem Koeffizienten multipliziert wird.
• Vergessen, dass n in Nernst- und ΔG-Formel die Elektronenzahl der ausgeglichenen Gleichung ist.
• Anode und Kathode verwechseln. Die Oxidation findet immer an der Anode statt, in galvanischen wie in Elektrolysezellen.

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