Welche Reaktionen finden in chemischen Reaktoren und elektrochemischen Zellen statt?
Und wie finden diese statt?
in chemishen Reaktoren und elektrochemischen Zellen finden Redoxreaktionen statt
In elektrochemischen Zellen sind Oxidation (e- Abgabe) und Reduktion (e- Aufnahme) räumlich getrennt
Die e- werden dabei als elektrischer Strom zwischen den beiden Räumen (Elektroden) ausgetauscht
Wie ist der Aufbau und das Funktionsprinzip einer elektrochemischen Zelle?
Elektrochemische Reaktionen an den Elektroden (-> Oberflächenreaktionen):
Oxidation an der Anode
Reduktion an der Kathode
Elektronentransport über elektrischen Leiter und über
elektrischen Verbaucher oder
Spannungs-/ Elektrizitätsquelle
Ionentransport zwischen Elektrode über Elektrolyten entsprechend Elektroneutralitätsbedingung:
Physikalische Trennung zwischen den Elektroden über elektrisch isolierenden, ionendurchlässigen Separator
Wie ist die Korrelation von Strom und Reaktionrate definiert?
als Faradaysches Gesetz:
Was sind die Unterschiede zwischen einer Batterie und einer Brennstoffzelle?
Batterien und Brennstofzellen sind jeweils elektrochemische Zellen
In Batterienen verbleiben Edukte (Ausgangsstoffe) und Produkte in der Zelle -> diskontinuierlicher Betrieb; stetige Änderung des Zustandes zwischen voll und leer
In Brennstoffzellen werden Edukte zugeführt und Produkte abgeführt -> kontinuierlicher/stationärer Betrieb möglich
Was ist die Gesamtmassenbilanz für eine Größe und wie wird diese berechnet?
Was versteht man unter der Komponentenbilanz und wie wird diese berechnet?
Gesamtmassenbilanz ist eine Erhaltungsgröße, keine Quelle/Senke
Komponentenbilanz: hier wird eine Komponente A bilanziert, diese ist keine Erhaltungsgröße -> Senken/Quellen zugelassen (z.B. Reaktion)
Welche Reaktion geschieht an der Anode und welche an der Kathode?
Reaktionsrate: Wie viel mol/s Zn werden umgesetzt bei 1A (=C/s)?
Welches Ion wird transportiert und zu welcher Elektrode? Wie viel?
Wie viel mol MnO2 wird dabei umgesetzt?
Anode: Zn-Oxidation, Elektronenaufnahme
Kathode: Mn-Reduktion, Elektronenabgabe
Rechnung mit Faradaysches Gesetz:
Das Zink Ione wird von der Anode zur Kathode transpotiert
Welcher Prozess geschieht an der Elektrode im stromlosen Zustand (I=0)?
Grenzfläche Elektrode-Elektrolyt im Gleichgewicht
Zur Gleichgewichtseinstellung findet offensichtlich eine Ladungstrennung über eine elektrochemische Reaktion statt:
M+ ist Elektrolyt, e- verbleibt im Metall!
Zur Wahrung der Ladungsneutralität lagern sich die positiven Ionen an der Elektrodenoberfläche an. Es entsteht eine elektrische Potentialdifferenz zwischen Elektrode (s) und Elektrolyt (E): phi_S - phi_E
(Diffusion -> auch anderer Kationen (z.B. H+) an Flächen möglich)
Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Metall und Elektrolyt so ein, dass elektrochemisches Potential µ* (=W_F, Fermienergie) beidseitig identisch ist:
Was ist zur Elektr(olyt)ischen Doppelschicht zu sagen?
Wie entsteht sie?
Ionen lagern sich an der Oberfläche der Elektrode an
Aufgrund der starken Coulomb-Kräfte stellt sich der minimale Abstand zwischen Elektrode und entgegengesetzt geladenem Ion ein
Bei Annahme einer Punktladung für Ionen entspricht der Ladungsabstand d zwischen Elektrode und Ionen
einem halben Ionendurchmesser (nicht solvatisierter) bzw.
einem halben Durchmesser des solvatisiertem Ions
Diese Ladungsspeichernde Doppelsicht aus Elektronen und Elektrolyt heißt Helmholzdoppelschicht oder starre Doppelschicht
Wie sieht es mit der Ladung und dem Potential in der Doppelschicht aus?
Die Ladung(-sdichte) der ionischen Schicht Q_E(roh_E) ist derjenigen der Elektrode (Q_S) entgegengesetzt:
Mit der Poisson-Gleichung ergbit sich ein linearer Potentialverlauf zwischen beiden Ladungsschichten:
Resultierende Doppelschicht-Kapazität an Elektrode-Elektrolyt-Grenzflöche:
Merke: Doppelschicht hat linearen Potentialabfall an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche! Vergelichbar mit Plattenkondensator!
Wann ist das elektrochemische Gleichgewicht (GGW) erreicht?
Für was wird die Aktivierungsenergie ∆G# benötigt?
Das elektrochemische Gleichgewicht (gekennzeichnet “0”, I=0) ist also erreicht, wenn µ_S*=µ_E*
Für (elektro-)chemische Reaktionen wir die Aktivierungsenergie ∆G# benötigt zum Überwinden der Bindungsenergie der Reakanden (Aufbrechen von Bindungen)
∆G# ist im elektrochemischen Gleichgewicht richtungsunabhängig. Hin- und Rückreaktion sind gleich wahrscheinlich:
Im GGW findet netto keine Freisetzung oder Verbrauch von e- an der Oberfläche statt:
Wieso führt man eine Referenzelektrode ein?
Die Potentialdifferenz an der Elektrode, das sogenannte Galvanipotential, ist nicht messbar.
Idee: zweite Elektrode als Referenz einführen (=Referenzelektrode)
Externe Messung der Zellspannung zwischen den zwei Elektroden einfach:
Sie erglaubt die Angabe al Differenz zum Galvanipotential der Referenzelektrode:
Da ∆phi_ref ebenfalls nicht messbar ist, wird das Elektrodenpotential E als Different ∆phi zum Galvanipotential der Referenzelektrode eingeführt:
Wie kommt man von der Potentialdifferent zur Zellspannung?
Je positiver die Potentialdifferenz an der Elektrode, desto elektrophiler ist die Elektrode
Treibkraft für elektrochemische Reaktionen in einer Zelle ist der Unterschied in E zwischen positiver und negativer Elektrode (Vergleich Treibkraft für Diffusion = Konzentrationsdifferenz)
Spannung = Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden:
Ruhespannung ist positiv definiert und ergbit sich aus der Differenz der Ruhepotentiale:
Üblicher Null-Punkt: Standardwasserstoffelektrode
Was für eine Funktion ist das Ruhepotential?
Das Ruhepotential ist eine Funktion der Konzentartion:
(Nernstgleichung)
Was bedeutet Fall 1 und Fall 2?
Fall 1: max. Arbeit geringer als umgesetzte chemische Energie, Energiewandlung in Wärme (Q<0), thermischer Wirkungsgrad<1
Fall 2: max. Arbeit größer als umgesetzte chemische Energie, Wärmeaufnahme aus Umgebung (Q>=), thermischer Wirkungsgrad>1
Bedeutung: Diese Zelle muss gegebenenfalls beheizt werden, um eine konstante Temperatur zu erreichen!
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