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Lösungen: |
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| 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.
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| 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!)
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| 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+
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| 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.
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| 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.
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| 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.
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| 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.
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| 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.
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| 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
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| 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!).
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| 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!
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| 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.
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| 13. |
Beschrifte die folgende Skizze und interpretiere sie:
Die Beschriftung ergibt sich aus dem Textzusammenhang. |
