Chemie-Arbeitsblatt _ _ Klasse _ _ _ Name __________________________________________________________________Datum _ _ ._ _._ _

 
Fragen und Aufgaben zur „Potentialbildung an Elektroden"
 
1. Aus welchen Phasen setzen sich die Elektroden in der Elektrochemie zusammen? Wie werden sie genau bezeichnet?
2. Welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede existieren zwischen den Phasen?
3. Wie wird eine Elektrode in der Elektrochemie symbolisch beschrieben und was bedeuten die einzelnen Symbole?
4. Welche Bedeutung hat die Phasengrenze?
5. Welche Vorgänge sind mit dem Übergang von Metallionen aus der einen in die andere Phase verbunden?
6. Was sind die Folgen bzw. Konsequenzen der einzelnen Vorgänge?
7. Wie ist die Ladungsdoppelschicht aufgebaut?
8. Was sind die Folgen der Entstehung der Ladungsdoppelschicht?
9. Was ist eine Elektrodenreaktion?
10. Welche einzelnen Schritte laufen bei der Elektrodenreaktion ab?
11. Was ist das Elektrodenpotential E?
12. Von welchen Parametern hängt das Elektrodenpotential ab?
13. Beschrifte die folgende Skizze und interpretiere sie:
 

Lösungen:

 
1. Aus welchen Phasen setzen sich die Elektroden in der Elektrochemie zusammen? Wie werden sie genau bezeichnet?

Die Elektroden setzen sich aus einer metallischen Phase und einer Lösungsphase zusammen. Dabei bildet das Metall in seiner reinen Form die metallische Phase. Dem Verständnis dieser Theorie entsprechend setzt sich diese dann zusammen aus Metallionen im metallischen Gitter und freibeweglichen Elektronen (Elektronengas).
Die Lösungsphase besteht aus hydratisierten Metallionen und Wasser als Lösungsmittel.
 

2. Welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede existieren zwischen den Phasen?

Gemeinsamkeiten: In beiden Phasen befinden sich Metallionen.
Unterschiede: In der metallischen Phase werden die Metallionen von Elektronen umgeben (Ladungsausgleich!), in der Lösungsphase von Wassermolekülen (Hydrathülle!)
 

3. Wie wird eine Elektrode in der Elektrochemie symbolisch beschrieben und was bedeuten die einzelnen Symbole?

Die Elektrode wird als Metall/Metallionen-Elektrode beschrieben. Der Schrägstrich ist das Symbol für die Phasengrenze: Me/Men+
 

4. Welche Bedeutung hat die Phasengrenze?

An der Phasengrenze ändern sich die Eigenschaften sprunghaft: Durch die unterschiedlich starke Bindung der Metallionen in der festen Phase und in der Lösungsphase kommt es an der Phasengrenzfläche zu einem Ionenübergang.Mit dem Übergang von Metallionen aus der metallischen in die Lösungsphase ist aber auch ein Ladungsübergang verbunden: Die Metallionen verlassen die feste metallische Phase, ihre Elektronen bleiben in der metallischen Phase. Elektronen können in freier Form nicht durch eine Lösung wandern. Dadurch wird die metallische Phase negativ aufgeladen. Jenseits der Phasengrenze bildet sich jetzt ein Überschuss an Kationen. An der Phasengrenze trennen sich somit negative von positiven Ladungsträgern. Beide Phasen werden entgegengesetzt aufgeladen.
 

5. Welche Vorgänge sind mit dem Übergang von Metallionen aus der einen in die andere Phase verbunden?

Zwischen Elektronenüberschuss in der metallischen Phase und Häufung von Kationen an der Phasengrenze in der Lösungsphase kommt es zur Anziehung der entgegengesetzt geladenen Ladungsträger. Die Ladungen verteilen sich also nicht gleichmäßig auf das Volumen der Lösung bzw. der festen metallischen Phase.
 

6. Was sind die Folgen bzw. Konsequenzen der einzelnen Vorgänge?

Die sich anziehenden Ladungsträger bilden eine Ladungsdoppelschicht. Diese wirkt wie eine Sperrbremse: Der einseitige Übergang von Ladungsträgern aus der einen in die andere Phase kommt zum Stillstand. Es stellt sich an der Phasengrenze ein (dynamisches) Gleichgewicht ein: Im gleichen Zeitraum verlassen gleich viele Metallionen die metallische Phase wie auch Metallionen aus der Lösungsphase in die metallische übertreten.
 

7. Wie ist die Ladungsdoppelschicht aufgebaut?

Reihenfolge von der festen Phase zur Lösungsphase: Metallionen mit ihren Elektronen im metallischen Gitter - Anreicherung von Elektronen unter der Oberfläche des metallischen Gitters - Verarmung an Metallionen, die das Gitter verlassen - Wassermoleküle aufgrund der elektrostatischen Anziehung zwischen negativ geladener Metalloberfläche und positiv polarisierten H-Atomen - hydratisierte Metallionen - hydratisierte Metallionen in der Lösung, die sich dort verteilen.
 

8. Was sind die Folgen der Entstehung der Ladungsdoppelschicht?

Die Ausbildung eines (dynamischen) Gleichgewichts zwischen der metallischen und der Lösungsphase: Im gleichen Zeitraum treten gleich viele Ionen von der metallischen in die Lösungsphase über und umgekehrt. Nach außen hin ist das Gleichgewicht mit Stillstand der Wanderungsbewegung gleich zu setzen.
 

9. Was ist eine Elektrodenreaktion?

Der Übergang der Metallionen aus der einen in die andere Phase wird als Elektrodenreaktion bezeichnet. Zum Phasenübergang gehört die anschließende Hydratisierung bzw. Dehydratisierung
 

10. Welche einzelnen Schritte laufen bei der Elektrodenreaktion ab?

Abtrennung der Metallionen aus dem metallischen Gitter unter Zurücklassung ihrer Elektronen: Ionisierungsvorgang; Ausbildung der Hydrathülle um die Metallionen: Hydratisierung, was den Energieinhalt der Ionen wesentlich senkt. Die gleiche Menge Ladung wird auf ein viel größeres Volumen/Oberfläche verteilt: Energieabsenkung; Jetzt kommt der Prozess zum Stillstand aufgrund der gegenseitigen Anziehung, wenn die Elektronen nicht abgeführt werden.
In umgekehrter Richtung: Abspaltung der Hydrathülle: Erhöhung der Energieinhalts der Metallionen, Rückführung der Metallionen in das metallische Gitter, Vervollständigung der metallischen Gitters. Auch die Abspaltung der Hydrathülle = Dehydratisierung erfordert Energie. Je nach Art des Metalles - "unedel" oder "halbedel" oder "edel" gehen mehr Atome in den ionisierten Zustand über als umgekehrt (unedle Metalle!).
 

11. Was ist das Elektrodenpotential E?

Das Elektrodenpotential E bildet sich durch den einseitigen Übergang der Metallionen aus der metallischen Phase in die Lösungsphase. In der metallischen Phase sind jede Menge Ionen vorhanden, in der Lösungsphase wesentlich weniger bzw. am Anfang u.U. gar keine. Je mehr die Lösungsphase hydratisierte Ionen enthält, desto stärker erfolgt der Rückbildungsprozess. Das Elektrodenpotential bildet sich also bis zur Ausbildung des Gleichgewichts zwischen beiden Phasen und kennzeichnet letzten Endes die Lage des Gleichgewichts: Welche Prozess hat Vorrang, die Ionisierung und Hydratisierung oder die Dehydratisierung und Reduktion der Ionen? Zu Beginn des Prozesses gibt es ja noch gar keine Rückreaktion. Je nach Art des Metalles - edel-halbedel-unedel - unterbleibt die Rückreaktion sogar ganz! 
 

12. Von welchen Parametern hängt das Elektrodenpotential ab?

Das Elektrodenpotential E hängt ab natürlich von der Art des Metalles (man vergleiche Natrium mit Gold), von der Konzentration der Metallionen in der Lösung (kann von Null bis zu endlichen Konzentrationen  reichen), von der Temperatur.

 

13. Beschrifte die folgende Skizze und interpretiere sie:

Die Beschriftung ergibt sich aus dem Textzusammenhang.

 

update am: 10.11.2015                                                                                                                                                                         zurück        zur Hauptseite