Sensorik/Aktorik

10.1 Elektrochmische Grundlagen
siehe Abschnitt 2
• in Flüssigkeiten keine Elektronenleitung wegen geringer Lebensdauer, in Festkörpern Elektronenund
Ionenleitung
• Ionenleitung in Kristallen über Fehlstellen
• Elektrolyt: chemische Verbindung, die in Ionen dissoziiert ist
• Elektrode in einer elektrochmischen Zelle: an ihrer Grenzfläche Übergang Elektronen- zu Ionenleitung
Elektochemische Zelle
• die elektrochmische Zelle besteht aus zwei Halbzellen im gleichen Gefäß oder über Salzbrücke
verbunden
• es stellt sich ein stationäres Potential ein, bei Belastung Stoffumsatz → galvanische Zelle
• an der Kathode Austritt von Elektronen in den Elektrolyten, an der Anode Eintritt aus der Zelle
herein
• Elektrolyse: Zersetzung einer Substanz bei Überschreitung der Zersetzungsspannung, Umkehrung
des galvanischen Elements
Faradaysche Gesetze
Andere Benennung der Variablen als bei Urban!
1. Faradaysches Gesetz: abgeschiedene Stoffmenge n bei Strom I ist n = It/F z mit z: Wertigkeit
des Stoffs und F = 96500C
2. Faradaysches Gesetz: verschiedene Stoffe werden im Verhältnis ihrer Molmassen durch das Verhältnis
der Wertigkeiten abgeschieden: m1
m 2
= M1/z1
M 2/z 2
Entstehung von Potentialen in einem Elektrolyten
• Schnittstelle Elektronen-Ionenleitung
• Diffusionspotentiale im Elektrolyten, semipermeable Membran
• Beschreibung druch die freie Enthalpie G = ∑ i n iµ i
• µ = ∂G/∂n i chemisches Potential: Die Arbeit, um 1 Mol Teilchen aus dem Unendlichen in eine
ungeladene, dipolfreie Phase zu bringen
– Maß für die Reaktionsfähigkeit
– elektrochemisches Potential ˜µ = µ + zF φ mit z: Wertigkeit des Ions (Ferminiveau, im
Gleichgewicht: ˜µ 1 = ˜µ 2 )
– Inneres Potential φ = Ξ + Ψ: Summe aus Äußerem Potential Ψ (Arbeit, um das Teilchen
aus der geladenen und dipolfreien Phase zu bringen) und Oberflächenpotential Ξ (Arbeit,
um durch die Dipolschicht zu kommen)
• ideales Gas: Nach 2 ist dG = V dp und damit G = G 0 + nRT ln(p/p 0 )
• in Flüssigkeiten Aktivität a = cf statt Druck p; dabei ist c die Konzentration und f der Aktivitätskoeffizient:
– bei bestimmten Bedingungen (hohe Konzentration) nicht mehr nur die Konzentration maßgebend,
da die Teilchen sich gegenseitig behindern
– zum Beispiel Solvathülle um gelöstes Ion: Zusätzliche Arbeit, um das Ion daraus zu befreien
– kann auch größer als 1 werden
Beziehung zwischen freier Enthalpie und elektromotorischer Kraft E
• Arbeit: W = −QE, im chemischen System: ∆G = −znF E
• mit obigen Gleichungen folgt Nernstsche Gleichung: G = G 0 /znF + RT/zF · ln(a/a 0 )
• E 0 = −G 0 /znF ist die Standard-EMK bei 1 bar und 25 ◦ C, bezogen auf H 2
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