Unterschied zwischen elektrochemischen Zellen und elektrolytischen Zellen

Hauptunterschied - Elektrochemische Zelle vs. Elektrolysezelle

Die Elektrochemie umfasst die Untersuchung der Bewegung von Elektronen in Systemen, in denen chemische Prozesse stattfinden. Hier können chemische Reaktionen verwendet werden, um einen elektrischen Strom zu erzeugen, oder ein elektrischer Strom kann verwendet werden, um das Auftreten einer nicht spontanen chemischen Reaktion zu erleichtern. In beiden Fällen wird die Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie oder das Gegenteil davon erfolgen. Die Systeme, in denen diese Umwandlungen stattfinden, werden als Zellen oder genauer als elektrochemische Zellen bezeichnet. Es gibt zwei Arten von elektrochemischen Zellen, die als voltaische Zellen und elektrolytische Zellen bekannt sind. Der Hauptunterschied zwischen elektrochemischen Zellen und Elektrolysezellen besteht darin Die elektrochemische Zelle benötigt zum Betrieb keinen externen Strom wohingegen Elektrolysezellen benötigen zum Betrieb externen Strom.

Wichtige Bereiche

1. Was ist eine elektrochemische Zelle?
      - Definition, Eigenschaften, wie es funktioniert
2. Was ist Elektrolysezelle?
      - Definition, Eigenschaften, wie es funktioniert
3. Was ist der Unterschied zwischen elektrochemischen Zellen und elektrolytischen Zellen?
      - Vergleich der wichtigsten Unterschiede

Schlüsselbegriffe: Anode, Kathode, Elektrochemische Zelle, Elektrolyse, Elektrolysezelle, Galvanische Zelle, Oxidation, Reduktion, Voltaische Zelle

Was ist eine elektrochemische Zelle?

Eine elektrochemische Zelle ist ein System, das elektrische Energie durch spontane chemische Reaktionen erzeugen kann. Die chemischen Reaktionen, die an diesem Prozess beteiligt sind, werden Redoxreaktionen genannt. Redoxreaktionen treten durch den Transfer von Elektronen zwischen chemischen Spezies auf. Eine Redoxreaktion umfasst zwei Halbreaktionen: Oxidationsreaktion und Reduktionsreaktion. Die Oxidationsreaktion gibt immer Elektronen an das System ab, während die Reduktionsreaktion Elektronen aus dem System entnimmt. Daher treten beide Halbreaktionen gleichzeitig auf.

Elektrochemische Zellen gibt es in zwei Arten, als voltaische (galvanische) Zellen und als elektrolytische Zellen. Eine elektrochemische Zelle besteht aus zwei Halbzellen. Die Halbreaktionen treten in zwei Halbzellen auf. Die chemischen Reaktionen, die in dieser Zelle stattfinden, bewirken den Aufbau einer Potentialdifferenz zwischen zwei Halbzellen.

Eine Halbzelle sollte aus einer Elektrode und einem Elektrolyten bestehen. Daher besteht eine komplette elektrochemische Zelle aus zwei Elektroden und zwei Elektrolyten. Manchmal verwenden die beiden Halbzellen den gleichen Elektrolyten. Wenn zwei verschiedene Elektrolyte verwendet werden, sollte eine Salzbrücke verwendet werden, um den Kontakt zwischen den Elektrolyten aufrechtzuerhalten. Dies geschieht durch Passage, um Ionen durch die Salzbrücke zu übertragen. Die Elektronen fließen durch eine externe Schaltung von einer halben Zelle zur anderen. Die zwei Elektroden werden Anode und Kathode genannt.

Die Oxidations- und Reduktionsreaktionen finden getrennt in zwei Elektroden statt. Die Oxidationsreaktion findet in der Anode statt, während die Reduktionsreaktion in der Kathode stattfindet. Daher werden in der Anode Elektronen erzeugt, die sich durch den externen Schaltkreis von Anode zu Kathode bewegen. Die Salzbrücke hilft dabei, das System neutral (elektrisch) zu halten, indem es Ionen durchlässt, um die elektrischen Ladungen auszugleichen.

Betrachten wir die folgende elektrochemische Zelle.

Abbildung 1: Elektrochemische Zelle

Hier ist die Anode die Zn- (Zink-) Elektrode und die Kathode ist die Cu- (Kupfer-) Elektrode. Die Oxidationsreaktion findet in der Zn-Elektrode statt. Dort wird das metallische Zn zu Zn oxidiert⁺² Ionen. Die freigesetzten Elektronen werden durch den äußeren Draht geleitet. Produziertes Zn⁺² Ionen werden in die Lösung freigesetzt. Daher löst sich die Zn-Elektrode mit der Zeit auf. Die Reduktionsreaktion tritt in der Nähe der Kathode auf. Die Kathode ist eine Cu-Elektrode. Dort werden die vom externen Stromkreis kommenden Elektronen vom Cu aufgenommen²⁺ Ionen in der Lösung und werden zu Cu-Metall reduziert. Daher nimmt die Masse der Cu-Elektrode mit der Zeit zu. Der Elektronenfluss durch den äußeren Draht kann als der durch die Redoxreaktion erzeugte elektrische Strom gemessen werden. Dies ist die typische Struktur einer elektrochemischen Zelle.

Reaktionen

• Reaktion in der Anode (Oxidation)

Zn_(s)         → Zn⁺²_(aq)     +      2e

• Reaktion in der Kathode (Reduktion)

Cu⁺²_(aq)      +     2e → Cu_(s)

Was ist eine Elektrolysezelle?

Eine Elektrolysezelle ist eine Art elektrochemische Zelle, in der elektrische Energie verwendet werden kann, um das Auftreten einer chemischen Reaktion zu bewirken. Mit anderen Worten, die elektrische Energie sollte von einer externen Quelle geliefert werden. Dann kann eine nicht spontane Reaktion ausgelöst werden. Elektrolysezellen werden am häufigsten für die Elektrolyse von Verbindungen verwendet.

Eine Elektrolysezelle besteht auch aus festen Metallen als Elektroden. Es sind zwei Elektroden an einen externen Stromkreis angeschlossen. Eine Elektrode fungiert als Anode, während eine andere als Kathode fungiert. Die Oxidationsreaktion wird in der Anode und die Reduktionsreaktion in der Kathode stattfinden.

Die externe elektrische Energieversorgung (von der Batterie, die mit den zwei Elektroden verbunden ist) stellt einen Elektronenfluss durch die Kathode bereit. Diese Elektronen gelangen dann in die Elektrolytlösung. Dann sammeln sich die Kationen in der Lösung um die Kathode und erhalten Elektronen, die durch die Kathode dringen. Daher sind diese Kationen an der Kathode reduziert. Die Elektronen in der Kathode stoßen Anionen in der Lösung ab. Diese Anionen wandern in Richtung Anode. Dort setzen diese Anionen Elektronen frei und werden oxidiert. Daher hat die Anode eine positive Ladung und die Kathode hat eine negative Ladung.

Betrachten wir das folgende Beispiel.

Abbildung 2: Elektrolyse der Kupferchloridlösung

In der obigen Elektrolysezelle liefert die Batterie der Kathode und Cu Elektronen⁺² Ionen sammeln sich um die Kathode, um die Elektronen von der Kathode zu nehmen. Dann das Cu⁺² Ionen werden zu Cu-Metall reduziert und an der Kathode abgeschieden. Dann Cl^- Ionen wandern zur Anode und setzen das überschüssige Elektron frei. Dort erfolgt die Oxidation von Cl^- tritt unter Bildung von Cl auf_{2 (g)}.

Reaktionen

• Reaktion in der Anode (Oxidation)

2Cl^-_(aq)         → Cl_{2 (g)}     +      2e

• Reaktion in der Kathode (Reduktion)

Cu⁺²_(aq)      +     2e → Cu_(s)

Unterschied zwischen elektrochemischen Zellen und elektrolytischen Zellen

Definition

Elektrochemische Zelle: Eine elektrochemische Zelle ist ein System, das elektrische Energie durch spontane chemische Reaktionen erzeugen kann.

Elektrolysezelle: Eine Elektrolysezelle ist eine Art elektrochemische Zelle, bei der elektrische Energie zur Erzeugung einer chemischen Reaktion verwendet werden kann.

Energieumwandlung

Elektrochemische Zelle: In elektrochemischen Zellen wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Elektrolysezelle: In der Elektrolysezelle wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt.

Externer Strom

Elektrochemische Zelle: Elektrochemische Zellen benötigen keine externen elektrischen Energiequellen.

Elektrolysezelle: Elektrolysezellen benötigen externe elektrische Energiequellen.

Chemische Reaktionen

Elektrochemische Zelle: In elektrochemischen Zellen finden spontane chemische Reaktionen statt.

Elektrolysezelle: In Elektrolysezellen finden nicht spontane chemische Reaktionen statt.

Elektroden

Elektrochemische Zelle: In einer elektrochemischen Zelle ist die Anode negativ und die Kathode ist positiv.

Elektrolysezelle: In einer Elektrolysezelle ist die Anode positiv und die Kathode negativ.

Elektronenbewegung

Elektrochemische Zelle: In elektrochemischen Zellen werden Elektronen von der Anode zur Kathode geleitet.

Elektrolysezelle: Elektronen werden von der Batterie zur Kathode geleitet und dann treten die Elektronen durch die Elektrolytlösung in Elektrolysezellen in die Anode ein.

Fazit

Eine Elektrolysezelle ist eine Art elektrochemische Zelle. Daher besteht die Elektrolysezelle aus allen Komponenten, die eine typische elektrochemische Zelle aufweist. Sowohl elektrochemische Zellen als auch elektrolytische Zellen beinhalten die Zirkulation von Elektronen durch das System. In elektrochemischen Zellen finden jedoch spontane chemische Reaktionen statt, während in Elektrolysezellen nicht-spontane chemische Reaktionen stattfinden. Dies ist der Unterschied zwischen einer elektrochemischen Zelle und einer Elektrolysezelle.

Verweise:

1. "Elektrochemische Zelle". Wikipedia. Wikimedia Foundation, 24. Juli 2017. Web. Hier verfügbar. 26. Juli 2017. 
2. "Elektrolysezellen". Chemie LibreTexts. Textsammlung, 21. Juli 2016. Web. Hier verfügbar. 26. Juli 2017. 

Bildhöflichkeit:

1. "Elektrochemische Zelle" von Siyavula Education (CC BY 2.0) über Flickr