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Elektrochemische Zelle Redoxgleichungen
Um die Fragen beantworten zu können, beginnen wir mit den Grundlagen, die für die Beantwortung der Fragen benötigt werden, und gehen dann Schritt für Schritt vor.
a) Elektrochemisches Signal
Das elektrochemische Signal basiert auf der Reaktion zwischen Eisen (\(Fe\)) und Chromat (\(CrO_4^{2-}\)).
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Elektrodenart und -unterarten mit entsprechender Zuordnung:
* An der Anode findet Oxidation statt. In diesem Fall wird Eisen (\(Fe\)) zu Eisen(III)-Ionen (\(Fe^{3+}\)) oxidiert und gibt dabei drei Elektronen (\(3e^-\)) ab. Dies ist ein Beispiel für eine Metallelektrode.
* An der Kathode findet Reduktion statt. Chromat (\(CrO_4^{2-}\)) wird in Gegenwart von Wasser zu Chrom(III)-Ionen (\(Cr^{3+}\)) reduziert, wobei Hydroxid-Ionen (\(OH^-\)) entstehen. Diese Reaktion findet in einer inertelektrode wie Platin statt, da Platin selbst nicht in die chemische Reaktion involviert, sondern lediglich als Elektronenübertragungsmedium dient.
b) Elektrodenpotentiale und EMK
Um die Potentiale der Elektroden und daraus die elektromotorische Kraft (EMK) der Zelle zu berechnen, benötigt man die Standardreduktionspotentiale der beteiligten Halbzellen. Da die exakten Werte hier nicht angegeben sind, gehe ich von hypothetischen oder allgemeinen Daten aus:
- \(E^\circ_{Fe^{3+}/Fe} = +0,77\,V\)
- \(E^\circ_{CrO_4^{2-}/Cr^{3+}} = +1,33\,V\) (Dies ist ein angenommener Wert als Beispiel, der tatsächliche Wert für diese spezifische Reaktion könnte davon abweichen.)
Die EMK der Zelle wird durch die Differenz der Potentiale der beiden Halbzellen berechnet:
\(EMK = E^\circ_{Kathode} - E^\circ_{Anode}\)
Setzen wir die hypothetischen Werte ein:
\(EMK = 1,33\,V - 0,77\,V = 0,56\,V\)
c) Zellreaktion und Ablauf
Die formulierte Gesamtreaktion wurde bereits angegeben:
\(Fe + CrO_4^{2-} + 4H_2O → Fe^{3+} + Cr^{3+} + 8OH^-\)
Diese Reaktion beschreibt, was passiert, wenn die Elektroden miteinander verbunden werden:
- Eisen wird oxidiert: Es gibt Elektronen ab, die durch den externen Schaltkreis zur Kathode fließen.
- Chromat wird reduziert: Es nimmt Elektronen auf, die durch den externen Schaltkreis kommen, und wird zu Chrom(III)-Ionen reduziert.
Die Platinelektrode taucht in der allgemeinen Formulierung der Redoxgleichung nicht explizit auf, da sie als Elektrodenmaterial an der Kathode dient, welches nicht chemisch verändert wird. Ihre Rolle ist es, eine Oberfläche für die Reduktion des Chromats zu Chrom(III)-Ionen zu bieten.
