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Alt 12.02.2007, 16:21   #1   Druckbare Version zeigen
ASCII Männlich
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Themenersteller
Beiträge: 291
Galvanische Zelle [Klausuraufgabe]

beim Lernen bin ich auf folgende Aufgabe gestossen:

Aufgabenstellung:

13. Eine galvanische Zelle besteht aus einer Halbzelle mit verdünnter Kaliumpermanganatlösung und andererseits einer Halbzelle mit FeSO4
Lösung. Es wird eine bestimmte Spannung gemessen. Wie wird sich diese Spannung verändern, wenn

a) zur Permanganat-Lösung Schwefelsäure zugesetzt wird,

b)...

c)...

Lösung dazu:

zu 13)

a)

E(MnO4−/ Mn2+) = E0 + 0.059/5 . lg ([MnO4−] . [H+]8 / [Mn2+])

E (Fe3+/Fe2+) = E0 (Fe3+/ Fe2+) + 0.059/1 . lg ([Fe3+] / [Fe2+])

ΔE = EMK = E (MnO4−/ Mn2+) – E (Fe3+/ Fe2+)

ΔE = 0.059 / 5 . lg ([MnO4−] . [H+]8 / [Mn2+]) – 0.059 . lg([Fe3+] / [Fe2+])

= 0.012. (lg ([MnO4−] / [Mn2+] + 8 . lg [H+]) − 0.059 . lg([Fe3+] / [Fe2+])

Aus Beziehung pH = -lg [H+] ergibt sich in der Gleichung für (8 .

lg [H+]) = − 0.094 pH

„In voller Schönheit":

ΔE = 0.012. {lg ([MnO4−] / [Mn2+] − 0.094 pH} − {0.059 * lg([Fe3+] / [Fe2+]}

Antwort: Beim Ansäuern nimmt das Potential (MnO4− / Mn2+) zu, d.h. ΔE wird größer

und die Spannung steigt somit an.

Die Fettmarkierte stelle ist für mich nicht klar:

1. Warum verschwinden plötzlich die E0 Werte für beide Lösungen. E(MnO4−/ Mn2+) und E (Fe3+/Fe2+) sind beides verschiedene Lösung mit zwei verschiedenen E0 Werten d.h. die Werte können sich nicht wegkürzen.

2. Woher weiß man welche Halbzelle von der anderen abgezogen werden soll. Dies kann man nur wissen wenn man die E0 Werte beider Lösungen kennt. Da diese aber nicht gegeben sind?
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Alt 12.02.2007, 20:49   #2   Druckbare Version zeigen
Jörn Henning Männlich
Mitglied
Beiträge: 277
AW: Galvanische Zelle [Klausuraufgabe]

Zitat:
Zitat von ASCII
2. Woher weiß man welche Halbzelle von der anderen abgezogen werden soll. Dies kann man nur wissen wenn man die E0 Werte beider Lösungen kennt. Da diese aber nicht gegeben sind?
Ich verstehe die Lösung auch schon in der Hinsicht darauf nicht, dass dort ein Rechenweg angegeben bzw. vorausgesetzt wird, da die Aufgabenstellung
Zitat:
Eine galvanische Zelle besteht aus einer Halbzelle mit verdünnter Kaliumpermanganatlösung und andererseits einer Halbzelle mit FeSO4
Lösung. Es wird eine bestimmte Spannung gemessen. Wie wird sich diese Spannung verändern, wenn

a) zur Permanganat-Lösung Schwefelsäure zugesetzt wird
meines Erachtens eine rein qualitative und keine quantitative Beurteilung erfordert. Das allein schon deshalb, weil in der Aufgabe keine einzige Zahlenangabe (darunter auch die Standardelektrodenpotentiale der Redoxgleichgewichte) enthalten ist.
Oder ist die Aufgabenstellung oben nicht komplett, d. h. das „Original“ enthält Zahlenangaben, die du oben nicht genannt hast?
Jörn Henning ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 12.02.2007, 21:47   #3   Druckbare Version zeigen
ASCII Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 291
AW: Galvanische Zelle [Klausuraufgabe]

Ich habs jetzt kappiert.

Die Aufgabenstellung ist komplett. Ja anscheindend soll man nur eine qualitative Aussagen tätigen.

Der Fehler in der fettmarkierten Zeile tut in dieser Aufgabe nichts am Ergebnis bei.

Das EMK berechnet sich immer aus E(Kathode)-E(Anode) deswegen wird die E(Permanganat Lösung) von E(Eisenlösung) abgezogen.

Wären allerdings die E Werte nahe beieinander könnte sich die Polung eventuell umdrehen, deswegen hab ich gefragt,

woher man wissen soll welche Halbzelle von der anderen abgezogen werden soll. (Da Permanganat aber nicht weiter oxidiert werden kann erübrigt sich die Frage)
ASCII ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 12.02.2007, 23:21   #4   Druckbare Version zeigen
Jörn Henning Männlich
Mitglied
Beiträge: 277
AW: Galvanische Zelle [Klausuraufgabe]

Zitat:
Zitat von ASCII Beitrag anzeigen
Da Permanganat aber nicht weiter oxidiert werden kann erübrigt sich die Frage
Daran habe ich auch gar nicht gedacht, als ich die Aufgabe gelesen habe, allerdings habe ich auch noch Probleme mit dem Verständnis solcher Redoxgleichgewichte..
Angenommen man stellt eine hochreine, quasi ideale Kaliumpermanganatlösung her, d. h. ohne jegliche Verunreinigung. Dann befinden sich in der Lösung doch an Ionen nur Kalium- und Permanganationen, oder? Oder bilden sich, wie ich nicht sicher verneinen kann, auch Mangan(II)-Ionen, da sich das Redoxgleichgewicht Permanganat/Mangan(II) einstellt? Eigentlich geht das doch nicht, da in der Lösung kein Reduktionsmittel vorhanden ist, oder?
Daher die Unsicherheit mit der Galvanischen Zelle oben, denn wie stellt sich nun das Gleichgewicht in der Permanganathalbzelle ein? Das Gleichgewicht bildet sich doch sicherlich an einer Platinelektrode oder einem ähnlichen, inerten Metall.. Taucht man nun eine Platinelektrode in eine Kaliumpermanganatlösung, stellt sich dann das Redoxgleichgewicht Permanganat/Mangan(II) ein? Das heißt, dass Permanganationen an der Oberfläche adsorbiert werden, jeweils fünf Elektronen an die Elektrode abgeben, und sich gleichzeitig Mangan(II)-Ionen bilden, die an der Platinelektrode adsorbiert werden? Wenn dies so ist, dann befinden sich Mangan(II)-Ionen ausschließlich an der Elektrode und nicht in der Lösung, da sie ja von der Platinelektrode angezogen werden, oder wie?
Bei Redoxgleichgewichten wie z. B. in einer Eisenhalbzelle verstehe ich das noch, da dort sowohl die reduzierte, als auch die oxidierte Form in hoher Zahl (Metall/Lösung) vorhanden ist und sich somit sowohl die Reduktion (der Eisen(II)-Ionen aus der Lösung), als auch eine Oxidation (der Eisenatome aus der Elektrode) stattfinden kann.
Bei Permanganathalbzelle aber hat man ja nur die Permanganationen in der Lösung, d. h. auch wenn es Halbzellen mit höherem Elektrodenpotential gibt, so findet in der Permanganathalbzelle keine Oxidation (Permanganat als unedlerer Stoff) statt, da man ja kaum Mangan(II)-Ionen hat?!
Ich hoffe man versteht meine Fragen.. Würde mich über Antworten sehr freuen, da ich diese Sache mit den Redoxgleichgewichten der Nichtmetalle in Galvanischen Zellen nie wirklich fest verstanden habe.

Geändert von Jörn Henning (12.02.2007 um 23:26 Uhr)
Jörn Henning ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 13.02.2007, 00:14   #5   Druckbare Version zeigen
ASCII Männlich
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Themenersteller
Beiträge: 291
AW: Galvanische Zelle [Klausuraufgabe]

Zitat:
Angenommen man stellt eine hochreine, quasi ideale Kaliumpermanganatlösung her, d. h. ohne jegliche Verunreinigung. Dann befinden sich in der Lösung doch an Ionen nur Kalium- und Permanganationen, oder? Oder bilden sich, wie ich nicht sicher verneinen kann, auch Mangan(II)-Ionen, da sich das Redoxgleichgewicht Permanganat/Mangan(II) einstellt?
Ohne Redoxpartner läuft keine Reaktion ab d.h. es stellt sich auch kein Gleichgewicht ein. Den wohin sollen den die Elektronen wenn es keinen Partner gibt!

Zitat:
Daher die Unsicherheit mit der Galvanischen Zelle oben, denn wie stellt sich nun das Gleichgewicht in der Permanganathalbzelle ein? Das Gleichgewicht bildet sich doch sicherlich an einer Platinelektrode oder einem ähnlichen, inerten Metall.
Die beiden Halbzellen sind durch eine semipermeable Membran verbunden. Ein Galvanisches Element besteht immer aus zwei Halbzellen. Diese Membran verhindert den Austausch größerer Ionen z.B. in diesem Fall Eisen-Ionen und Permanganat-Ionen. Allerdings können Ladungen die Membran passieren, die auf der Seite Eisen Ionen oxidieren lassen und auf der anderen Seite MnO4- reduzieren lassen => Die Reaktion läuft so lange ab wie EMK > 0. Wenn EMK = 0 hat sich das GGW eingestellt.
ASCII ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 13.02.2007, 00:21   #6   Druckbare Version zeigen
ASCII Männlich
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Themenersteller
Beiträge: 291
AW: Galvanische Zelle [Klausuraufgabe]

Zitat:
Taucht man nun eine Platinelektrode in eine Kaliumpermanganatlösung, stellt sich dann das Redoxgleichgewicht Permanganat/Mangan(II) ein? Das heißt, dass Permanganationen an der Oberfläche adsorbiert werden, jeweils fünf Elektronen an die Elektrode abgeben, und sich gleichzeitig Mangan(II)-Ionen bilden, die an der Platinelektrode adsorbiert werden? Wenn dies so ist, dann befinden sich Mangan(II)-Ionen ausschließlich an der Elektrode und nicht in der Lösung, da sie ja von der Platinelektrode angezogen werden, oder wie?
Permanganat/Mn2+ ist das Redoxpaar einer Halbzelle. Dem gegenüber steht die Halbzelle Fe2+/Fe3+

Du kannst auch zwei Halbzellen aus Permanganat/Mn2+ herstellen. Allerdings musst du dann unterschiedliche Konzentrationen benutzen damit Strom fließen kann. (Nernst Gleichung) Die Reaktion läuft dann so lange ab bis die Konzentration sich ausgeglichen hat
ASCII ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 13.02.2007, 00:49   #7   Druckbare Version zeigen
Jörn Henning Männlich
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Beiträge: 277
AW: Galvanische Zelle [Klausuraufgabe]

Erst mal vielen Dank für deine Antworten!
Zitat:
Ohne Redoxpartner läuft keine Reaktion ab d.h. es stellt sich auch kein Gleichgewicht ein. Den wohin sollen den die Elektronen wenn es keinen Partner gibt!
Genau das habe ich mir auch gedacht, denn da Reduktion und Oxidation ja stets gekoppelte Vorgänge sind, stellt sich so ein Gleiuchgewicht in einer hochreinen Lösung nicht ein, ok.
Was du daraufhin schreibst, war mir einigermaßen klar soweit. Es geht mir weniger um das Prinzip der Galvanischen Zelle, als um das Gleichgewicht Permanganat/Mangan(II) in der einen Halbzelle. Ich könnte das auch so sagen, dass ich die Halbzelle verstehen würde, wenn man eine Elektrode aus Permanganationen hätte, die in eine Mangan(II)-Ionen-Lösung taucht (was natürlich in Wirklichkeit unmöglich ist..), denn dann wäre es wie bei einer Metall/Metallsalz-Halbzelle, die ich einigermaßen verstehe. Nun gibt es aber eine solche Elektrode nicht, sondern eine inerte Elektrode, an der sich das Redoxgleichgewicht bildet. Ebendieses Gleichgewicht an einer inerten Elektrode verstehe ich aber nicht. Vielleicht versteht man meine Fragen besser, wenn ich das, wie ich es mir vorstelle, aufliste, um dann gucken zu können, ob das hinhaut:
- Taucht man eine Platinelektrode in eine Kaliumpermanaganatlösung ein, so stellt sich an ihrer Oberfläche das Redoxgleichgewicht (MnO4)- + 8 H3O+ + 5 e- <---> Mn2+ + 12 H2O ein. Richtig oder falsch?
- Eine Permanganat/Mangan(II)-Halbzelle kann sowohl Donator-, als auch Akzeptorhalbzelle sein, je nachdem, mit was für einer anderen Halbzelle sie zu einer Galvanischen Zelle verbunden wird. Richtig oder falsch? (Das hieße dann nämlich auch, dass in der Permanganat/Mangan(II)-Halbzelle auch eine Oxidation stattfinden kann, wenn diese durch die andere, edlere Halbzelle erzwungen wird. Also würden dann Mangan(II)-Ionen oxidiert werden, obwohl sie gar nicht in der Lösung vorliegen?!) Hier ist nämlich wieder mein Verständnisproblem: Bei einer Metall/Metallsalz-Halbzelle gibt es sowohl die reduzierte, als auch die oxidierte Form, d. h. in der Halbzelle kann sowohl die Oxidation, als auch die Reduktion stattfinden. In einer Permanganat/Mangan(II)-Halbzelle aber fehlt doch die reduzierte Form Mangan(II) in der Lösung, also kann es dort keine Oxidation geben?! Nimmt man eine Chlorhalbzelle, so stellt man sie aus einer chlorumspülten, inerten Elektrode, die in eine Chlorsalzlösung taucht, her. Bei der Permanganat/Mangan(II)-Halbzelle aber fehlt dann doch das Mangan(II) in der Lösung?!
Hoffe man versteht so, was ich genauer meine. Fragen vernünftig zu stellen ist echt nich meine Stärke..
Jörn Henning ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 13.02.2007, 01:11   #8   Druckbare Version zeigen
ASCII Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 291
AW: Galvanische Zelle [Klausuraufgabe]

Zitat:
Taucht man eine Platinelektrode in eine Kaliumpermanaganatlösung ein, so stellt sich an ihrer Oberfläche das Redoxgleichgewicht (MnO4)- + 8 H3O+ + 5 e- <---> Mn2+ + 12 H2O ein.
Das Gleichgewicht stellt sich zwischen den zwei Halbzellen ein. In der Halbzelle MnO4/Mn2+ hast du am Anfang nur Permanganat. Nun werden die Halbzellen verbunden. Jetzt läuft die Reaktion zu Mn2+ ab. Irgendwann ist Schluß und du hast in der einen Zelle ein bestimmtes MnO4/Mn2+ Verhältnis. Die Reaktion läuft aber nicht rückwärts ab.

Mathematisch geht das mit der Nernst Gleichung:

Für die eine Halbzelle gilt:

E1 = E0 + 0,05962/5 * log c(OX)/c(RED)

=> E1 = E0 * 0,05962/5 log c(MnO4-)/c(Mn2+)

Für die eine Halbzelle gilt:

E2 = E0 + 0,05962/5 * log c(OX)/c(RED)

=> E2 = E0 = 0,05962/5 log c(Fe3+)/c(Fe2+)

EMK = E1 - E2 Solange EMK > 0 läuft die Reaktion ab. Die Konzentrationen ändern sich ständig!

Zitat:
Eine Permanganat/Mangan(II)-Halbzelle kann sowohl Donator-, als auch Akzeptorhalbzelle sein, je nachdem, mit was für einer
anderen Halbzelle sie zu einer Galvanischen Zelle verbunden wird
Ja, wenn in der Lösung sowohl Permanganat als auch Mangan(II) ist.

Zitat:
Das hieße dann nämlich auch, dass in der Permanganat/Mangan(II)-Halbzelle auch eine Oxidation stattfinden kann, wenn diese durch die andere, edlere Halbzelle erzwungen wird. Also würden dann Mangan(II)-Ionen oxidiert werden, obwohl sie gar nicht in der Lösung vorliegen?!) Hier ist nämlich wieder mein Verständnisproblem: Bei einer Metall/Metallsalz-Halbzelle gibt es sowohl die reduzierte, als auch die oxidierte Form, d. h. in der Halbzelle kann sowohl die Oxidation, als auch die Reduktion stattfinden. In einer Permanganat/Mangan(II)-Halbzelle aber fehlt doch die reduzierte Form Mangan(II) in der Lösung, also kann es dort keine Oxidation geben?
Warum sollte Mn(II) nicht in Lösung vorliegen?!


So das reicht für heute. morgen ist Klausur da werd ich lange genug mit Halbzellen traktiert werden...
ASCII ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 13.02.2007, 02:01   #9   Druckbare Version zeigen
Jörn Henning Männlich
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Beiträge: 277
AW: Galvanische Zelle [Klausuraufgabe]

Zitat:
Warum sollte Mn(II) nicht in Lösung vorliegen?!
Ich bin halt davon ausgegangen, dass man die Elektrode in eine reine Permanganatlösung eintaucht.. Also bestimmt man so z. B. auch das Standardelektrodenpotential von Permanganat/Mangan(II), indem man eine Lösung aus Permanaganationen und Mangan(II)-Ionen herstellt, bspw. eine Mischung aus Kaliumpermanganat und Mangan(II)-Salz? Dann wäre das die Lösung meines Problems bzw. zumindest eines großen Teils meiner Fragen, da ich auf die Idee noch nicht gekommen bin, keine Ahnung, wieso..
Wünsche dir viel Erfolg für die Klausur, auch wenn du das hier wohl nicht mehr liest vorher.. Und vielen dank nochmal für die Antworten.
Jörn Henning ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 13.02.2007, 09:32   #10   Druckbare Version zeigen
ASCII Männlich
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Themenersteller
Beiträge: 291
AW: Galvanische Zelle [Klausuraufgabe]

Das Standartelektrodenpotenzial wird bei einer ganz bestimmten Permanganat Konzentration gemessen. Meines Wissen ist es eine reine Permanganat Lösung bei 25 Grad, die 1 molar ist.

Hast du nämlich Mn2+ Ionen in der Lösung beeinflußt dies die Spannung (dann wäre es nicht das Standartpotenzial der Permanganat Lösung).
ASCII ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 13.02.2007, 22:37   #11   Druckbare Version zeigen
Jörn Henning Männlich
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Beiträge: 277
AW: Galvanische Zelle [Klausuraufgabe]

Zitat:
Zitat von ASCII Beitrag anzeigen
Meines Wissen ist es eine reine Permanganat Lösung bei 25 Grad, die 1 molar ist.
Zur Messung des Potentials muss ich aber doch das potentialbildende Gleichgewicht an der Elektrode einstellen, also bildet sich dies, wenn man eine inerte Elektrode in eine reine Permanganatlösung eintaucht, an der Oberfläche dieser Elektrode? Durch die andere Halbzelle kann das Gleichgewicht ja nicht gebildet werden, da bei der Potentialmessung ja keine Reaktion abläuft, da eben nur ein Voltmeter und kein Verbraucher angeschlossen wird.
Problem bei mir ist folgendes:
In folgenden Halbzellen sind folgende Stoffe/Teilchen enthalten:
- Eisenhalbzelle: Eisenatome, reduzierte Form (Metallelektrode), Eisenionen, oxidierte Form (Metallsalzlösung);
- Wasserstoffhalbzelle: Wasserstoffmoleküle, reduzierte Form (Wasserstoffgas umspült die Elektrode), Protonen bzw. Oxoniumionen, oxidierte Form (Säurelösung);
- Chlorhalbzelle: Chlormoleküle, oxidierte Form (Chlorgas, das die Elektrode umspült), Chloridionen, reduzierte Form (Chloridionenlösung, bspw. eine wässrige Salzsäurelösung);
...
Zwischen reduzierter und oxidierter Form bildet sich entsprechend immer das potentialbildende Gleichgewicht.
Aber:
- Permanganathalbzelle: Permanganationen, oxidierte Form (Permanganatlösung)... und die reduzierte Form, also Mangan(II)? Wie soll sich das potentialbildende Gleichgewicht einstellen?
Oder es ist eben so, dass sich das Gleichgewicht bildet, wenn man die Elektrode in die Permanganatlösung eintaucht..?
Ich verstehe sonst nicht, wie sich die Elektrode aufladen soll, um das Potential messen zu können..?

Geändert von Jörn Henning (13.02.2007 um 22:46 Uhr)
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