Biologie und Chemie für Schülerinnen und Schüler am Gymnasium

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Elektrochemische Reaktionen...

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Klassenstufe 12

1. Elektrochemische Reaktionen


Ständig korrodieren Metalle, besonders Eisen als am häufigsten gebrauchtes Metall.
Durch welche Maßnahmen können die Korrosionen verhindert werden?

  1. Das Grundprinzip der elektrochemischen Reaktionen
  2. Die elektrochemische Korrosion
  3. Das Rosten von Eisen
  4. Korrosionsschutz durch Überzüge
  5. Aktiver Korrosionsschutz
Stahlträger stützen die Fragmente einer alten, hässlichen Fassade

1. Das Grundprinzip der elektrochemischen Reaktionen

BatterienBesuche ich einen Elektronik – Fachmarkt, dann stehe ich vor einem riesigen Angebot an Batterien und Akkumulatoren.

Sie scheinen alle verschieden zu sein, sind doch die Preisunterschiede mitunter groß. Batterien sind sofort nach dem Kauf in ein Gerät einsetzbar und liefern elektrischen Strom Einen Akkumulator muss ich erst aufladen. Er kann aber mehrmals aufgeladen werden, wenn er entladen ist. Ihre Funktionsweise beruht aber eigentlich auf einem gemeinsamen Prinzip.

Die einfachste Batterie kann ich mir zu Hause selbst bauen. Es ist die Zitronenbatterie. Dazu nehme ich ein Kupferblech und ein Zinkblech. Beide Bleche stecke ich in eine aufgeschnittene Zitrone. Mit zwei Kabeln kann ich die beiden Bleche mit einem Spannungsmesser verbinden.

Der Zeiger des Messgerätes schlägt aus.

ZitronenbatterieÄhnlich ist die Bauweise der Batterien, die ich im Fachmarkt kaufen kann. Sie besteht zunächst darin, dass Batterien aus Materialien zusammengebaut werden, die elektrisch leitfähig sind. Die am einfachsten aufgebaute, ist die Zink/Kohle- Batterie. Sie besteht aus einem Kohlestab (Graphit), der in einem Zinkbecher steckt. Nun dürfen sich der Kohlestab und der Zinkbecher nicht direkt berühren. Deshalb ist der Kohlestab mit einem Material umgeben, das zwar auch den elektrischen Strom leitet, aber nicht so gut wie ein Metall (zum Beispiel ein Gemisch aus Braunstein und Graphit). Nun ist in einer Trockenbatterie noch etwas enthalten. Das Gemisch aus Braunstein und Graphit steckt in einer Ammoniumchlorid - Paste (Das ist eine Chemikalie, die als Elektrolyt und für Nebenreaktionen, dient).

Fertig ist eine einfache Batterie.

Das Daniell ElementBesprechen wir nun ein einfaches galvanisches Element genauer.

Eine Batterie bezeichnet der Chemiker als galvanisches Element. (Luigi Galvani, ein italienischer Arzt und Naturforscher. Er war der Begründer der Elektrophysiologie. Er lebte von 1737 bis 1798)

Das Grundprinzip von elektrochemischen Reaktionen besteht darin, dass zwei Stoffe zunächst räumlich voneinander getrennt werden, die einen unterschiedlichen Lösungsdruck haben (beim Daniell-Element: Kupfer und Zink).

Beide Stoffe müssen aber in einem elektrisch leitenden Material stehen, dem so genannten Elektrolyten. Dieser Elektrolyt ist beim Daniell-Element eine Kupfer(II)-sulfatlösung, in die der Kupferstab eintaucht und eine Zink(II)-sulfatlösung, in die der Zinkstab eintaucht.

John Frederic Daniell, ein britischer Chemiker. Er entwickelte diese galvanische Zelle, die später nach ihm benannt wurde, im Jahre 1836. Daniell lebte von 1790 bis 1845.

Zwei Becher mit den entsprechenden Metallsalzlösungen und den Metallstäben werden nun durch eine so genannten Stromschlüssel, das kann zum Beispiel ein Filterpapier, das in eine Salzlösung (zum Beispiel Kaliumchloridlösung) getränkt wurde, verbunden.

Nun besitzen die Zinkatome im Zinkblech einen größeren Lösungsdruck als die Kupferatome des Kupferbleches. Ist das Zinkblech mit dem Kupferblech leitend verbunden, findet eine elektrochemische Reaktion statt.

Zinkatome gehen als Zn2+ - Ionen in Lösung (Sie wandern in die Zink(II)-sulfatlösung). Sie lassen pro Atom zwei Elektronen im Metallgitter des Zinkstabes zurück. Nun ist der Zinkstab negativ aufgeladen. Diese Elektronen können nun über das Kabel zum Kupferstab wandern. Die in der Kupfer(II)-sulfatlösung vorhandenen Cu2+ - Ionen nehmen pro Ion zwei Elektronen auf und werden zum Kupferatom. Diese Kupferatome scheiden sich am Kupferstab ab. Der Stromschlüssel ist notwendig, damit der Stromkreis geschlossen ist, das heißt, damit die Ionen (die ja auch Ladungen tragen), die sich in der Elektrolytlösung befinden, ausgetauscht werden können. Es ist eine Spannung messbar.

An der Zinkelektrode (Zinkstab) erfolgt also die Oxidation des Zinks, an der Kupferelektrode (Kupferstab) erfolgt die Reduktion des Kupfers.

Es laufen zwei elektrochemische Reaktionen ab:

Oxidation (Elektronenabgabe): Zn → Zn2+ + 2e-
(Das Zink-Atom reagiert zum Zink-Ion und zwei Elektronen)
Hier bildet sich der Minuspol, die Anode, heraus (anodische Oxidation).

Reduktion (Elektronenaufnahme): Cu2+ + 2e- → Cu
(Das Kupfer-Ion reagiert mit zwei Elektronen zum Kupfer-Atom)
Hier bildet sich der Pluspol, die Katode, heraus (katodische Reduktion).

Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.

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Merksatz

Einfache galvanische Elemente können durch die Kombination zweier unterschiedlicher Metalle und einem Elektrolyten hergestellt werden. Bei geschlossenem Stromkreis finden eine anodische Oxidation und eine katodische Reduktion statt. Dabei wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Lesen Sie hier weiter, in Elektrochemische Reaktionen zu
Punkt 2. Die elektrochemische Korrosion...