Elektrolyse - Nernst`sche Gleichung (Lösung)

Voraussetzungen

Potentialbildende Vorgänge im galvanischen Element, Aufbau und Konstruktion galvanischer Elemente, Gaselektroden, Nichtmetallelektroden, Nernstsche Gleichung, Vorhersage von Redoxreaktionen, manganometrische Bestimmung von Wasserstoffperoxid,   Elektrolyse als Umkehrung des galvanischen Elementes, Begründung der Stoffabscheidung aus den Potentialen, Überspannung, Begründung des Verlaufs der Strom-Spannungskurve bei einer Elektrolyse, Zersetzungsspannung, Diffusionsstrom, Faradaysche Gesetze und deren Anwendung

1. Elektrolyse einer 1 mol/l und einer 0,0001 mol/l Natriumchloridlösung an Pt - Elektroden

a) Führe unter Aufnahme der Strom-Spannungskurve für beide Lösungen eine Elektrolyse durch.

b) Zeichne und beschrifte den Versuchsaufbau.

c) Fertige ein ausführliches Versuchsprotokoll  an und zeichne die Strom-Spannungskurve beider Elektrolysen.

d) Diskutiere den Verlauf der Strom-Spannungskurve für Versuch 1 und erkläre so ihren charakteristischen Verlauf.

e) Bestimme die Zersetzungsspannung beider Elektrolysen und begründe die Unterschiede.

Aufgabe 2: Elektrolyse einer 1 mol/l Salzsäure

 Man elektrolysiert  eine 1 mol/l Salzsäure 10 min mit einem Strom von 0,6 A.

a) Zeige, welche Stoffe bei dieser Elektrolyse abgeschieden werden.

b) Wieviel wird von welchem Stoff abgeschieden?

c) Wie ändert sich der pH- Wert der Lösung?

Aufgabe 3 Nernst’sche Gleichung

Wie groß muß die Konzentration von H3O+ mindestens sein, damit Pb zu Pb2+ oxidiert werden kann?

Wie groß muß der pH-Wert in einer 0,2 mol/l Kaliumpermanganatlösung mit einem Anteil von 0,000001 mol/l Mn2+ mindestens sein, um Chloridionen aus einer 1 mol/l Lösung zu Chlor zu oxidieren?

Aufgabe 4: galvanische Elemente

Zeichne den Aufbau folgender galvanischer Elemente und gib die darin ablaufenden Reaktionen unter Standardbedingungen an.

Cu/Cu2+//2Br-/Br2

Au/Au3+//2Cl-/Cl2

MnO4-/MnO2//2OH-/O2

Aufgabe 5: Benjamin Franklin:

Early to bed an early to rise, makes a man healthy, wealthy und wise.

Lösung

Aufgabe 1

a) theoretische Werte für die Strom/Spannungskurve

Versuch 1

Versuch 2

b) praktische Werte für die Strom/Spannungskurve

Versuch 1

Versuch 2

Es ergeben sich folgende Zersetzungsspannungen für diese Elektrolyse:

a) theoretisch

1 mol/l NaCl (der pH-Wert in dieser Lösung ist natürlich 7)

c(Na+) = 1 mol/l      E = -2,71 V

c(Cl-) = 1 mol/l         E = 1,36

c(H3O+) = 10 -7        E = -0,413

c(OH-) = 10 -7          E =  0,813

Uz = 1,22 V, Es findet die Elektrolyse von Wasser statt.

10 -4 mol/l NaCl

c(Na+) = 10 -4 mol/l      E = -2,946 V

c(Cl-) = 10 -4 mol/l         E = 1,59

c(H3O+) = 10 -7        E = -0,413

c(OH-) = 10 -7          E =  0,813

Uz = 1,22 V, Es findet die Elektrolyse von Wasser statt.

praktische findet man fast immer von der Theorie abweichende Werte:

Unter Berücksichtigung der Überspannung ergibt sich:

1 mol/l NaCl

E (H2) = -0,413 + (-0,07) = -0,483

E (O2) = 0,813 + 0,7         = 1,513

E (Cl2) = 1,36 +0,08  = 1,44       

E(Na)  = - 2,71

Uz = 1,923 V, am +Pol bildet sicjh Chlor und am - Pol bildet sich Wasserstoff.

Bruttoreaktion (ergibt sich immer aus den bezüglich der übetragenen Elektronen ausgeglichenen Redoxteilgleichungen. Die Zahl der Elektronen muß natürlich deshalb gleich sein, weil an dem einen Pol nicht mehr Elektronen verbraucht werden können als am anderen Pol erzeugt werde. Das gilt übrigens auch für das galvanische Element)

2HCl    ----> H2  + Cl2

10 -4 mol/l NaCl

E (H2) = -0,413 + (-0,07) = -0,483

E (O2) = 0,813 + 0,7         = 1,513

E (Cl2) = 1,59 +0,08  = 1,67       

E(Na)  = - 2,71

Uz = 1,993 V, am +Pol bildet sich Sauerstoff und am - Pol bildet sich Wasserstoff (Elektrolyse von Wasser) .

Brutoreaktion: 2H2O   ---------2 H2  + O2

zu 1b) Die Zeichnung sollte alle Meßgeräte enthalten und auch eine korrekte Beschriftung der Elektroden und der Lösung.

zu 1c) Strom-Spannungskurven zeichnet man am besten auf Millimeterpapier.

zu 1d) Folgende Punkte sollten herausgearbeitet werden:

Was ist eine Elektrolyse? Welche Reaktionen laufen an welcher Elektrode ab? Was ist mit möglichen Alternativen und warum kommen diese nicht in Frage?

Beschreibung des entstehenden galvanischen Elementes. Begründung, warum die Vorgänge in diesem Element der Elektrolyse entgegen wirken. Somit Herausarbeitung des Begriffes Zersetzungsspannung. Erläuterung des Diffusionsstroms. Überspannung.

e) Die Zersetzungsspannung einer praktisch durchgeführten Elektrolyse wird immer aufgrund der Stromspannungskurve vorgenommen.

Zu 2 Leider habe ich vergessen  anzugeben, wieviel ml Salzsäure elektrolysiert wurde. Es sollten 100 ml sein.

a) siehe oben. Es werden Wasserstoff und Chlor abgeschieden.

b) geflossene Ladung: 360 C

360 C entladen x mol H+

96487 C entladen 1 mol H+.

Es werden 0,00373 mol Hydroniumionen entladen, das ergibt dann 0,00373 /2 g H2, also 0,00186 g Wasserstoff.

Genau die gleiche Anzahl mol Cl - Ionen wird entladen, das sind

0,00373 * 35,5 g = 0,132 g Cl-, das ergibt 0,066g Cl2.

c) Wenn 100 ml Lösung vorgelegt wurde:

vorgelegt: 100 mmol H+

entladen wurden 3,73 mmol H+, sind also aus der Lösung verschwunden.

Es bleiben: 100 - 3,73 = 96,27 mmol das sind 0,9627 mol/l H+. pH = 0,017.

Aufgabe 3

a) Das Normalpotential von Blei beträgt - 0,13 V, also muß H2/2H3O+ dieses Potential mindestens erreichen, damit H3O+ Pb zu Pb2+ oxidieren kann.

Eingesetzt in die Nernst’sche Gleichung ergibt sich:

b) Das Normalpotential von Chlor beträgt 1,36 V, also muß dieser Wert überschritten werden, damit Chloridionen zu Chlor oxidiert werden können.

Die Konzentration von Hydroniumionen muß mindestens  mol/l betragen.

Bei allen Rechnungen sollte die Probe durchgeführt werden, indem man die Werte einsetzt.

Aufgabe 4

In Zeichnungen oder Skizzen galvanischer Elemente gehören die beteilgten Ionen und deren Konzentrationen, das Diaphragma sowie evtl vorhande Feststoffe und Flüssigkeiten. Fehlende Potentiale kannst du im Buch nachschlagen.

Prinipiell nimmt man als Ableitungselektrode nichtmetallischer Redoxpartner einfach einen Platindraht, der z. B. in die Flüssigkeit eintaucht. Sind beide Redoxpartner löslich, so nimmt man sie in einer Konzentration von 1 mol/l und gibt in diese Flüssigkeit einen Pt- Draht.