Chemie Klasse 9/10 > Ionenbindung

Ionenbindung 12

4.12 Das Kupfer-Zink-Element

Und wieder ein einfacher Versuch (wir machen nur einfache Versuche)

Der übliche Aufbau:
U-Rohr mit Trennwand,
Kupferelektrode, Zinkelektrode,
Kupfersulfatlösung, c(CuSO₄) = 1 mol/l
Zinksulfatlösung c(ZnSO₄) = 1 mol/l.
Bei dieser Anordnung kann eine Spannung von mehr als 1Volt gemessen werden. Da dieser Versuch in fast jedem Schulbuch ausführlich erläutert ist, kann ich mir hier lange Ausführungen sparen. Kommen wir gleich zu der Frage, wieso die gemessene Spannung höher ist als bei dem Versuch mit den beiden Elektroden in reinem Wasser; dort hatten wir deutlich weniger als 1 V Spannung gemessen.
Was geschieht in der Zink-Halbzelle, also dem Schenkel des U-Rohrs mit der Zinkelektrode und der Zinksulfatlösung?
Die Zinkelektrode löst sich - wie bereits mehrmals gesagt - auf; es entstehen Zinkionen, die die Zn2+-Konzentration in der 1 molaren Zinksulfatlösung erhöhen, und in der Elektrode verbleiben (zunächst) Elektronen, zwei Stück pro Zinkion.
Allerdings fließen diese Elektronen zu einem Teil in die Kupferhalbzelle (siehe weiter unten), mit der Folge, dass es in der Zinkhalbzelle zu einer ständigen Bildung neuer Zinkionen kommt; die Zinklösung wird hier immer mehr mit Zinkionen angereichert.
In der Kupferhalbzelle fließen die Elekronen der Zinkelektrode in die Kupferelektrode (Ziel ist es ja, einen Elektronenausgleich zu erreichen). In der umgebenden Lösung befinden sich aber schon recht viele Kupferionen, die sehr begierig sind, je zwei Elektronen aufzunehmen (schließlich ist Kupfer ein Edelmetall). Die Kupferionen setzen sich also an die Kupferelektrode, nehmen dort je zwei Elektronen auf und werden dadurch zu Kupferatomen:
Cu²⁺ + 2 e^- ==> Cu
Rein theoretisch müsste die Kupferelektrode mit der Zeit immer dicker werden, während sich die Zinkelektrode auflöst. Irgendwann enthält die Kupfersulfatlösung jedoch keine Kupferionen mehr, und dann stoppt der Prozess.
Was geschieht nun mit den beiden Lösungen der Halbzellen?
In der Zinkhalbzelle steigt die Konzentration der Zinkionen. Da die Trennwand für Ionen durchlässig ist, werden also schon recht schnell die ersten Zinkionen in die Kupfersulfatlösung der Kupferhalbzelle diffundieren.
In der Kupferhalbzelle befindet sich am Anfang eine reine Kupfersulfatlösung. Die Kupferionen setzen sich aber an die Kupferelektrode, so dass hier die Konzentration der Kupferionen immer geringer wird. Die Konzentration der Sulfationen dagegen ändert sich nicht. Es entsteht mit der Zeit also ein Überschuss an Sulfationen, so dass es zu einer Diffusion von Sulfationen in die Zinkhalbzelle kommt, wo ja ein Überschuss an Zinkionen und sozusagen ein "Unterschuss" von Sulfationen herrscht.

Das hier besprochene Thema findet sich in fast jedem Schulbuch. Daher erspare ich mir hier seitenlange Ausführungen und aufwändige Abbildungen.

Frage eines kritischen Schülers

Gerade Schüler, die im Unterricht sehr gut aufgepasst haben, könnten jetzt durchaus folgende Frage stellen:
Am Anfang des Versuchs hatten wir in der Zinkhalbzelle genau 1 mol Sulfationen pro Liter Lösung, und in der Kupferhalbzelle ebenfalls 1 mol Sulfationen pro Liter Lösung. Wieso diffundieren dann Sulfationen von aus der Kupfersulfatlösung in die Zinksulfatlösung? Es gibt doch gar keinen Konzentrationsunterschied.
Und hier meine Antwort, die wie üblich weniger wissenschaftlich exakt, dafür aber leicht nachvollziehbar ist:
Durch die elektrochemischen Prozesse steigt in der Zinkhalbzelle die Zahl der Zinkionen, während die Zahl der Sulfationen tatsächlich gleich bleibt. Die Lösung wird durch den Überschuss an Zinkionen sozusagen positiv geladen.
In der Kupferhalbzelle sinkt die Zahl der Kupferionen, während die Zahl der Sulfationen auch hier gleich bleibt. Hier wird die Lösung sozusagen negativ.
Und jetzt ist auch klar, warum die Sulfationen zur Zinkhalbzelle wandern: sie werden von der "postiiven Lösung" angezogen, während die "negative Lösung" in der Kupferhalbzelle die Zinkionen anzieht.

Vorheriges Kapitel:
Zink und Zink ergibt auch Strom

Nächstes Kapitel:
Galvanische Zellen und das Redoxpotential II

Und wieder ein einfacher Versuch (wir machen nur einfache Versuche)	Der übliche Aufbau: U-Rohr mit Trennwand, Kupferelektrode, Zinkelektrode, Kupfersulfatlösung, c(CuSO₄) = 1 mol/l Zinksulfatlösung c(ZnSO₄) = 1 mol/l. Bei dieser Anordnung kann eine Spannung von mehr als 1Volt gemessen werden. Da dieser Versuch in fast jedem Schulbuch ausführlich erläutert ist, kann ich mir hier lange Ausführungen sparen. Kommen wir gleich zu der Frage, wieso die gemessene Spannung höher ist als bei dem Versuch mit den beiden Elektroden in reinem Wasser; dort hatten wir deutlich weniger als 1 V Spannung gemessen. Was geschieht in der Zink-Halbzelle, also dem Schenkel des U-Rohrs mit der Zinkelektrode und der Zinksulfatlösung? Die Zinkelektrode löst sich - wie bereits mehrmals gesagt - auf; es entstehen Zinkionen, die die Zn2+-Konzentration in der 1 molaren Zinksulfatlösung erhöhen, und in der Elektrode verbleiben (zunächst) Elektronen, zwei Stück pro Zinkion. Allerdings fließen diese Elektronen zu einem Teil in die Kupferhalbzelle (siehe weiter unten), mit der Folge, dass es in der Zinkhalbzelle zu einer ständigen Bildung neuer Zinkionen kommt; die Zinklösung wird hier immer mehr mit Zinkionen angereichert. In der Kupferhalbzelle fließen die Elekronen der Zinkelektrode in die Kupferelektrode (Ziel ist es ja, einen Elektronenausgleich zu erreichen). In der umgebenden Lösung befinden sich aber schon recht viele Kupferionen, die sehr begierig sind, je zwei Elektronen aufzunehmen (schließlich ist Kupfer ein Edelmetall). Die Kupferionen setzen sich also an die Kupferelektrode, nehmen dort je zwei Elektronen auf und werden dadurch zu Kupferatomen: Cu²⁺ + 2 e^- ==> Cu Rein theoretisch müsste die Kupferelektrode mit der Zeit immer dicker werden, während sich die Zinkelektrode auflöst. Irgendwann enthält die Kupfersulfatlösung jedoch keine Kupferionen mehr, und dann stoppt der Prozess. Was geschieht nun mit den beiden Lösungen der Halbzellen? In der Zinkhalbzelle steigt die Konzentration der Zinkionen. Da die Trennwand für Ionen durchlässig ist, werden also schon recht schnell die ersten Zinkionen in die Kupfersulfatlösung der Kupferhalbzelle diffundieren. In der Kupferhalbzelle befindet sich am Anfang eine reine Kupfersulfatlösung. Die Kupferionen setzen sich aber an die Kupferelektrode, so dass hier die Konzentration der Kupferionen immer geringer wird. Die Konzentration der Sulfationen dagegen ändert sich nicht. Es entsteht mit der Zeit also ein Überschuss an Sulfationen, so dass es zu einer Diffusion von Sulfationen in die Zinkhalbzelle kommt, wo ja ein Überschuss an Zinkionen und sozusagen ein "Unterschuss" von Sulfationen herrscht.	Das hier besprochene Thema findet sich in fast jedem Schulbuch. Daher erspare ich mir hier seitenlange Ausführungen und aufwändige Abbildungen.
Frage eines kritischen Schülers	Gerade Schüler, die im Unterricht sehr gut aufgepasst haben, könnten jetzt durchaus folgende Frage stellen: Am Anfang des Versuchs hatten wir in der Zinkhalbzelle genau 1 mol Sulfationen pro Liter Lösung, und in der Kupferhalbzelle ebenfalls 1 mol Sulfationen pro Liter Lösung. Wieso diffundieren dann Sulfationen von aus der Kupfersulfatlösung in die Zinksulfatlösung? Es gibt doch gar keinen Konzentrationsunterschied. Und hier meine Antwort, die wie üblich weniger wissenschaftlich exakt, dafür aber leicht nachvollziehbar ist: Durch die elektrochemischen Prozesse steigt in der Zinkhalbzelle die Zahl der Zinkionen, während die Zahl der Sulfationen tatsächlich gleich bleibt. Die Lösung wird durch den Überschuss an Zinkionen sozusagen positiv geladen. In der Kupferhalbzelle sinkt die Zahl der Kupferionen, während die Zahl der Sulfationen auch hier gleich bleibt. Hier wird die Lösung sozusagen negativ. Und jetzt ist auch klar, warum die Sulfationen zur Zinkhalbzelle wandern: sie werden von der "postiiven Lösung" angezogen, während die "negative Lösung" in der Kupferhalbzelle die Zinkionen anzieht.


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