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Anorganische Chemie - Elektrochemie

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Anorganische Chemie

Elektrochemie

Zum Ende dieses Kurses möchten wir uns nun der Elektrochemie zuwenden. Die Elektrochemie basiert auf technisch angewandten Redoxprozessen. Eingesetzt werden hierbei Redoxprozesse, die freiwillig ablaufen und keine äußere Energiezufuhr benötigen. Ein Prozess wie die Elektrolyse basiert zwar auch auf technisch genutzten Redoxvorgängen, benötigt aber Strom um funktionieren zu können. 

Ein chemischer Vorgang, der ohne Energiezufuhr abläuft ist das Rosten von Eisen, wie in der nachfolgenden Abbildung dargestellt:

Komplettes Rosten
Komplettes Rosten

Ein bekanntes Experiment aus der Elektrochemie ist der Versuch bei dem ein Eisenstück $ Fe (s) $ in eine Kupfersulfat-Lösung $ CuSO_4 $ getaucht wird. Was dabei passiert ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. 

Versuchsablauf
Versuchsablauf

Bei diesem Versuch liegt eine leichtbläuliche  Kupfersulfatlösung vor und sobald das Eisenstück in die Lösung getaucht wird, verliert die Lösung allmählich an Farbintensität und auf dem Eisenstück bildet sich ein rotbrauner Belag.  Die Ursache hierfür liegt darin, dass die farbegebenden Kupferionen $ Cu^{2+ }$ in der Lösung weniger werden und sich dann als elementares Kufer $ Cu $ auf dem Eisenstück $ Fe $ ablagern. Die Besonderheit dieser Reaktion liegt darin, dass keine Aktivierungs- oder Prozessenergie erforderlich ist. Der gesamte Prozess läuft gänzlich freiwillig ab.  

Die zugehörige Reaktionsgleichung für diesen Versuch ist:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Kupferraffination: $ Cu^{2+} + 2 e^- \rightleftharpoons Cu $ 

Da neben der Lösung nur das Eisenstück vorliegt, muss letzteres als Elektronenlieferant fungieren. Daher muss eine Oxidation von Eisenatomen aus dem Eisenstück zu Eisenionen $ F2^{2+} $  stattfinden, welche in die Lösung diffundieren: 

Methode

Hier klicken zum Ausklappen $ Fe \rightleftharpoons F2^{2+} + 2e^- $

Dieser Vorgang hat zwei Effekte:

  1. Es werden Elektronen für die Reduktion der Kupferionen geliefert.
  2. Einer negativen Aufladung der Lösung durch das Reduzieren der positiv geladenen Kupferionen wird entgegen gewirkt.

Der Grund hierfür liegt in der nachfolgenden Ursache:

Merke

Hier klicken zum Ausklappen In der Lösung befinden sich Sulfationen mit zwei negativen Ladungen $ SO_4^{2-} $ und die Eisenionen $ Fe^{2+} $ heben deren Wirkung auf, Stichwort: Neutralisieren.  

Wie sich mit diesem Versuch ein elektrischer Strom nachweisen lässt erfahren Sie im kommenden Kurstext zum Thema Galvanische Zelle