Vorgänge an Elektroden

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Grundlagen und Vorgänge an Elektroden

Die elektrochemische Doppelschicht

Beginnen wir mit der elektrochemischen Doppelschicht, eine der fundamentalen Konzepte in der Elektroanalytik. Stell dir die Oberfläche der Elektrode vor, die in eine elektrolytische Lösung taucht. An dieser Grenzfläche ballen sich auf der einen Seite die geladenen Teilchen aus der Lösung und auf der anderen Seite die Elektronen der Elektrode, wodurch die sogenannte Doppelschicht entsteht. Diese Schichtung ist entscheidend für das Verständnis der Elektrolyse sowie für die elektrochemische Signalübertragung.

Überblick über die elektrochemische Doppelschicht.1

Durchtrittsreaktion und Überspannung

Eine Durchtrittsreaktion bezieht sich auf den direkten Elektronenübergang zwischen der Elektrode und den in der Lösung befindlichen Ionen. Wenn dieser Prozess nicht reibungslos verläuft, tritt das Phänomen der Durchtrittsüberspannung auf. Das bedeutet, es ist eine höhere als die theoretisch berechnete Spannung erforderlich, um die Elektrolyse zu starten. Verschiedene Faktoren wie die Verarmung von Ionen nahe der Elektrode und vorangehende Reaktionen können zur Überspannung beitragen, besonders wenn Gase wie Wasserstoff oder Sauerstoff beteiligt sind.

Wichtig zu wissen

Das IMPP fragt besonders gerne nach Durchtrittsüberspannung und ihren Ursachen.

Kathodische und anodische Ströme

Bei der Untersuchung von kathodischen und anodischen Strömen geht es darum, zu verstehen, wie und warum bestimmte chemische Verbindungen an Elektroden oxidiert oder reduziert werden. Die Rolle der Elektroden (anodisch oder kathodisch) bestimmt, ob eine Substanz Elektronen aufnimmt (Reduktion) oder abgibt (Oxidation). So kann Ascorbinsäure beispielsweise an der Anode oxidiert werden, während Nitrofunktionen an der Kathode zu Aminen reduziert werden.

Die Nernstsche Gleichung

Die Nernstsche Gleichung ist das Kernstück der elektrochemischen Analyse. Sie verknüpft das Elektrodenpotential mit der Konzentration der Reaktanden und Produkten und wird unter anderem verwendet, um die Spannung von Konzentrationsketten oder das Redoxpotential einer Zelle zu berechnen:

\[E = E^0 + \left(\frac{0,059}{z}\right) \cdot \log\frac{[c(\text{Ox})]}{[c(\text{Red})]}\]

Hier ist \(E\) das Elektrodenpotential, \(E^0\) das Standardpotential, \(z\) die Anzahl der übertragenen Elektronen, \([c(\text{Ox})]\) und \([c(\text{Red})]\) sind die Konzentrationen der oxidierten bzw. der reduzierten Form. Dies zu verstehen und korrekt anwenden zu können ist entscheidend für das Bestehen des Examens.

Platinelektroden und elektrochemische Messverfahren

Platinelektroden spielen in elektrochemischen Messverfahren wie der Amperometrie und Voltammetrie eine Schlüsselrolle. Sie sind extrem reaktionsträge, was sie ideal für die Verwendung als Arbeitselektrode in diesen analytischen Techniken macht. In Kombination mit einer Referenzelektrode ermöglichen sie die präzise Messung von Redoxpotentialen, was für die Bestimmung von Konzentrationen reduktions- bzw. oxidationsfähiger Substanzen entscheidend ist.

Zusammenfassung

  • Zersetzungsspannung erklärt, ab welcher Spannung die Abscheidung von Ionen in einer Elektrolytlösung durch Elektrolyse erfolgt, und wird durch die Erhöhung der Spannung und Analyse der Strom-Spannungs-Kennlinie bestimmt.
  • Redoxpotential hängt von der Konzentration beteiligter Ionen, pH-Wert und Temperatur ab und beschreibt die Tendenz einer Substanz, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen.
  • Nernstsche Gleichung ist zentral für die Berechnung von Halbzellenpotentialen und Spannungen an Konzentrationsketten, basierend auf Konzentrationen und der Anzahl der beteiligten Elektronen.
  • Überspannung ist die zusätzliche Spannung, die über das Gleichgewichtspotential hinaus für die Elektrolyse erforderlich ist, und wird durch Phänomene wie Polarisation an Elektroden beeinflusst.
  • Reduktions- und Oxidationsreaktionen sind essentiell für das Verständnis von Vorgängen an Elektroden, einschließlich der Kenntnis, welche Substanzen oxidiert oder reduziert werden können.
  • Platinelektroden leiten das Potential in elektrochemischen Experimenten ab und werden häufig in Kombination mit einer Referenzelektrode verwendet.

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Footnotes

  1. Credits Überblick über die elektrochemische Doppelschicht. Grafik: Cepheiden, Elektrische Doppelschicht, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎