Redoxreaktionen und Elektrochemie
Das Themenfeld Redoxreaktionen und Elektrochemie prüft das Aufstellen und Ausgleichen von Redoxgleichungen, die Deutung galvanischer Zellen mit Standardpotentialen und die quantitative Elektrolyse. Erwartet werden saubere Teilgleichungen, korrekte Vorzeichen und Rechnungen mit der Nernst-Gleichung und dem Faraday-Gesetz.
Oxidationszahlen und Gleichungen
Regeln: Elemente 0, einatomige Ionen gleich ihrer Ladung, Sauerstoff meist –2 (Peroxide –1), Wasserstoff meist +1 (Hydride –1), Summe gleich der Ladung des Teilchens. Oxidation ist Elektronenabgabe (Oxidationszahl steigt), Reduktion Elektronenaufnahme. Ausgleichen: Teilgleichungen getrennt aufstellen, Atome außer O und H ausgleichen, O mit H2O, H mit H+, Ladung mit Elektronen; dann Elektronenzahl durch Multiplikation angleichen. In alkalischer Lösung wird mit OH– neutralisiert.
Galvanische Zelle und Nernst-Gleichung
Standardpotentiale sind Reduktionspotentiale gegen die Standardwasserstoffelektrode (E° = 0 V). Es gilt E°(Zelle) = E°(Kathode, Reduktion) – E°(Anode, Oxidation); die Kathode ist der Pluspol. Nernst: E = E° + (0,059 V/z)·lg(c(Ox)/c(Red)) bei 25 °C, feste Phasen und Wasser gehen mit Aktivität 1 ein. Für die freie Enthalpie gilt ΔG° = –z·F·E°.
Elektrolyse
Die Elektrolyse wird durch eine äußere Spannung erzwungen; die Zersetzungsspannung liegt über E°(Zelle), weil Überspannungen hinzukommen. Faraday: n = I·t/(z·F) bzw. m = M·I·t/(z·F) mit F = 96485 C/mol. Die Kathode bleibt der Ort der Reduktion, auch wenn sie beim Elektrolysieren der Minuspol ist.
Rechenbeispiel
Daniell-Element: Zn | Zn2+ (0,01 mol/L) || Cu2+ (1,0 mol/L) | Cu mit E°(Cu) = +0,34 V und E°(Zn) = –0,76 V. Dann ist E° = 0,34 – (–0,76) = 1,10 V. Mit Nernst folgt E = 1,10 + (0,059/2)·lg(1,0/0,01) = 1,10 + 0,059 = 1,16 V. Elektrolysebeispiel: 2 A über 30 min an Kupfersulfatlösung ergeben Q = 2 · 1800 = 3600 C, n(Cu) = 3600/(2 · 96485) = 0,0187 mol und m = 1,19 g.
Typische Fehler
Vorzeichen von Anode und Kathode werden vertauscht oder das Potential der Oxidation nicht umgedreht. In der Nernst-Gleichung stehen Edukt- und Produktkonzentrationen im falschen Verhältnis, oder z wird bei zweiwertigen Ionen gleich 1 gesetzt. Bei der Elektrolyse wird die Überspannung ignoriert oder die Zeit nicht in Sekunden eingesetzt. Außerdem fehlt der Hinweis, dass Potentiale nur unter Standardbedingungen direkt vergleichbar sind.