Strom erzwingt die Reaktion
Bei der Elektrolyse treibt eine äußere Spannungsquelle eine Redoxreaktion an, die von selbst nicht abläuft.
- Elektrolyse:durch elektrische Energie erzwungene Redoxreaktion; Spannungsquelle und zwei Elektroden tauchen in eine Elektrolytlösung.
- Kathode:Elektrode am Minuspol, hier wird reduziert: \(\ce{Zn^2+ + 2 e- -> Zn}\).
- Anode:Elektrode am Pluspol, hier wird oxidiert: \(\ce{2 Br- -> Br2 + 2 e-}\).
- Ionenwanderung:Kationen wandern zur Kathode, Anionen zur Anode.
- Gesamtreaktion:\(\ce{Zn^2+ + 2 Br- -> Zn + Br2}\) — die Umkehrung der freiwilligen Reaktion \(\ce{Zn + Br2 -> Zn^2+ + 2 Br-}\).
Elektrolyse: Eine äußere Spannung erzwingt eine Redoxreaktion — Reduktion an der Kathode (Minuspol), Oxidation an der Anode (Pluspol).
Zersetzungsspannung und Umkehrung
Erst ab einer Mindestspannung fließt ein deutlicher Strom.
- Messung:Man erhöht die Spannung \(U\) schrittweise und misst die Stromstärke \(I\) — es entsteht eine Strom-Spannungs-Kurve.
- Gegenspannung:Die ersten Spuren Zink und Brom bilden eine galvanische Zelle, deren Spannung der äußeren Spannung entgegenwirkt.
- Zersetzungsspannung \(U_Z\):Mindestspannung, ab der die Elektrolyse dauerhaft abläuft; darüber steigt \(I\) etwa linear an.
- Abschätzung:\(\Delta E = 1{,}07\,\mathrm{V} - (-0{,}76\,\mathrm{V}) = 1{,}83\,\mathrm{V}\); gemessen wird etwas mehr, rund \(1{,}9\,\mathrm{V}\).
- Umkehrung:Ersetzt man die Quelle durch einen Verbraucher, reagieren Zink und Brom freiwillig zurück — die Zelle arbeitet als galvanische Zelle.
Zersetzungsspannung: Die Elektrolyse läuft erst ab, wenn die äußere Spannung die Gegenspannung der entstehenden galvanischen Zelle übersteigt: \(U_Z \geq \Delta E\).
Regle die Spannung an der Zinkbromid-Lösung hoch (Regler, −/+ oder den Punkt auf der U-Achse ziehen) und beobachte Strom, Ionen und Elektroden. Schalte danach auf „Lampe“ um.
Halte fest: Unterhalb der Zersetzungsspannung fließt kaum Strom; darüber scheidet sich an der Kathode Zink ab und an der Anode entsteht Brom. Mit einer Lampe statt der Quelle läuft die Reaktion freiwillig zurück — die Stromrichtung kehrt sich um, die Pole bleiben.
Allgemeine Hinweise
Kathode heißt Reduktion
In der galvanischen Zelle ist die Kathode der Pluspol, bei der Elektrolyse der Minuspol. Reduziert wird aber immer an der Kathode.
Zersetzungsspannung ablesen
Verlängere den geraden Teil der Strom-Spannungs-Kurve bis zur \(U\)-Achse — der Schnittpunkt ist die Zersetzungsspannung.
ΔE ist nur die Untergrenze
Die gemessene Zersetzungsspannung ist meist etwas größer als \(\Delta E\) aus den Standardpotenzialen — \(\Delta E\) liefert nur eine Abschätzung nach unten.