Telekolleg - Chemie


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Chemie - 13. Folge Elektrolytische Reaktionen

Es gibt einen elektrolytischen Vorgang, den wir alle kennen: das Laden und Entladen eines Blei-Akkumulators, zum Beispiel einer Autobatterie. Mehr dazu erfahren Sie hier.

Stand: 15.01.2019

Entladevorgang in einem Bleiakku | Bild: BR

Die Sendung beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit dem Normalpotential und der Potentialdifferenz, mit dem Blei-Akkumulator sowie elektrolytischen Vorgängen in der Technik. Sie gliedert sich in fünf Sequenzen.

Elektrochemische Halbzellen

Elektrochemische Halbzelle

Am Beispiel einer elektrochemischen Halbzelle aus Zink (Zn) und gelöstem Zinksulfat (ZnSO4) wird zunächst demonstriert, wie durch den Lösungsdruck des Metalls (der Tendenz, Ionen an den Elektrolyten abzugeben) einerseits im Elektrolyten eine positive Ladung entsteht und andererseits die im Metall zurück gebliebenen Elektronen eine negative Ladung (Elektronendruck) erzeugen.

Demgegenüber ist in einer Halbzelle aus Kupfer (Cu) und Kupfersulfat (CuSO4) der Lösungsdruck beim Kupfer geringer, da es im Vergleich zum Zink ein edleres Metall darstellt. Folglich verbleiben im Kupfermetall weniger Elektronen, die einen geringeren Elektronendruck erzeugen.

Galvanisches Element

Verbindet man die beiden Halbzellen, wird der unterschiedliche Elektronendruck in dem galvanischen Element ausgeglichen: Es fließt in diesem Fall ein Strom, die Spannung beträgt 1,1 Volt.

Normalpotential und Potentialdifferenz

Normalwasserstoffelektrode

 Die zweite Sequenz zeigt auf, dass sich verschiedene Halbzellen zu galvanischen Elementen kombinieren lassen. Um die zu erwartende Spannung voraussagen zu können, vergleicht man den Spannungsbeitrag einzelner Zellen mit einer genormten, sogenannten Normalwasserstoffelektrode.

Normalpotential einer Kupferelektrode

Diese besteht im Standardzustand aus einem Platinblech, über das Wasserstoff  streicht, und einer Säure. Der Vergleich mit einer Kupfer-Halbzelle ergibt beispielsweise eine Spannung von plus 0,3 Volt, das heißt, die Kupferelektrode hat das Normalpotential + 0,3 Volt.

Normalpotential einer Zinkelektrode

Bei einer Zink-Halbzelle misst man eine Spannung von etwa minus 0,8 Volt, was einem Normalpotential von – 0,8 Volt entspricht.

Galvanisches Element aus zwei Halbzellen

Auf diese Weise lässt sich die elektrischen Spannung, die zwischen den Elektroden eines galvanischen Elementes (zum Beispiel zwischen Kupfer und Zink) besteht, aus der Differenz ihrer Normalpotentiale errechnen. Man bezeichnet diese Differenz auch als Potentialdifferenz.

Spannungsreihe

Spannungsreihe ausgewählter Metalle

Die Normalpotentiale verschiedener Halbzellen (verschiedener korrespondierender Redoxpaare) lassen sich ordnen. Die Sendung zeigt dies an den Metallen Silber (+ 0,8V), Kupfer (+ 0,34 V), Eisen (- 0,44 V) und Zink (- 0,76 V). Diese Reihung, die sich auch mit dem mehr oder weniger edlen Charakters der betreffenden Metalle deckt, bildet die sogenannte Spannungsreihe.

Der Blei-Akkumulator

Aufbau einer Autobatterie

Nach der Definition für Akkumulatoren als galvanische Elemente, in denen durch umkehrbare elektrolytische Vorgänge Energie gespeichert und wieder freigesetzt werden kann, zeigt die Sequenz zunächst den Aufbau einer Autobatterie.

Bleiakkumulatorzelle

Sie besteht aus sechs einzelnen Zellen, die sich jeweils aus einer Bleidioxidelektrode (PbO2), einer Bleielektrode (Pb) und einer Isolierschicht zusammensetzen. Als Elektrolyt dient verdünnte Schwefelsäure (H2SO4). Da jede Zelle 2 Volt liefert, erzeugt die Batterie eine Spannung von insgesamt 12 Volt.

Entladevorgang in einem Bleiakku

Aufgrund eines Akku-Modells und mithilfe eines Reaktionsschemas wird anschließend der Entlade- und Ladevorgang im Blei-Akku erklärt. Dabei erkennt man, dass beim Entladen Schwefelsäure verbraucht und Wasser (aus dem Wasserstoff der Schwefelsäure und dem Sauerstoff des Bleidioxids) gebildet wird, wodurch die Konzentration der Säure abnimmt. Zudem bildet sich Bleisulfat (PbSO4), das sich an beiden Elektroden ablagert und so die Spannung verringert. Zum Laden eines Akkumulators legt man eine Gleichstromquelle an, die bewirkt, dass sich die Vorgänge im Akku wieder umkehren.

Elektrolytische Vorgänge in der Technik

Die untere Hälfte des Blechs ist elektrolytisch poliert

Die letzte Sequenz beschäftigt sich zuerst mit dem Hochglanzpolieren. Bei diesem Verfahren wird durch elektrolytische Vorgänge Material abgetragen, indem es in Ionenform in Lösung geht.

Natriumchlorid-Elektrolyse

Im Gegensatz dazu scheidet sich bei der Elektrolyse von Natriumchlorid (NaCl) an den zunächst gleichartigen Kohleelektroden einerseits Wasserstoff und andererseits Chlor ab. So entstehen zwei unterschiedliche, polarisierte Elektroden eines galvanischen Elementes. Durch die Elektrolyse von NaCl wird in der chemischen Industrie Chlor in großem Umfang als Grundstoff gewonnen.

Elektrolytische Korrosion einer Eisenniete in einem Kupferblech

Zuletzt wird noch auf das Problem der Korrosion eingegangen, die dann auftritt, wenn verschiedene Metalle (etwa Kupfer und Eisen) sich leitend berühren und wenn Wasser (als Elektrolyt) vorhanden ist. So bildet sich eine elektrochemische Zelle, durch die sich das unedlere Metall in Ionen auflöst.

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Elektrolytische Reaktionen | Bild: BR zum Quiz Telekolleg Chemie Elektrolytische Reaktionen

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