Hai!)
Ist irgendjemand in der Lage mir die folgende Gleichung zu erläutern, insbesondere die darinn auftretenden „e`s“
H²O > H+ + OH-
2 H+ + 2 e- > H²
2 OH- > H²O + O + 2 e-
4 OH- > 2 H²O + O² + 4 e-
Hallo Bert,
Ich will’s mal versuchen:
H²O > H+ + OH-
Wasser liegt in wässriger Lösung (haha) z.T. immer auch als konjugiertes Säure-Base-Paar vor. Wasn das nu? Säuren können Protonen (= H+) abgeben, Basen können Protonen aufnehmen. Wasser selbst ist ein Ampholyt, also kann sowohl Säure als auch Base sein. Wenn sich zwei Wassermoleküle treffen, kann das eine (als Säure) eines seiner zwei Protonen an das andere (als Base) abgeben. Eigentliche schreibt sich das so:
H²O + H²O -> H³O+ + OH-
Wenn man das einfacher schreiben möchte, kann man das eine H²O auch weglassen und schreibt nur
H²O > H+ + OH-
Das passiert in einem Liter Wasser, der 55.5 mol H²O (=55.5 * 6.23*10²³ Moleküle) enthält, im Mittel etwa 10-7-mol (=10-7>/sup> * 6.23*10²³)- mal. Somit gibt es in reinem Wasser immer 10-7 mol/l H+ (bzw. H³O+) - Ionen. Der negative Logarithmus dieser Konzentration wird als pH bezeichnet, daher hat neutrales Wasser einen pH-Wert von log(10-7) = 7. Aber das nur nebenher.
Was passiert da eigentlich? Um das wirklich zu verstehen, muß man mindestens das Schalenmodell vom Atomaufbau kennen. Im Kern befinden sich Protonen (mit positiver Ladung) und Neutronen (ohne Ladung), der ist umgeben von den Elektronenschalen. Diese Schalen können mit unterschiedlich vielen Elektronen besetzt sein. Die innerste, erste Schale mit max. 2, die zweite mit max. 8. Es ist energetisch günstig für das Atom, wenn die Schalen etweder voll oder garnicht besetzt sind. Atome verbinden sich zu Molekülen, um genau das zu erreichen. Nur Edelgase haben eine Elektronenkonfiguration mit komplett besetzten Schalen, daher reagieren sie mit nichts und niemandem (->„edel“).
Wasserstoff hat ein Proton im Kern und ein Elektron. Die erste Schale ist also nicht voll besetzt, also tut sich ein H-Atom immer mit einem Reaktionspartner zusammen, dem entweder auch noch ein Elektron fehlt oder gerade eines zuviel hat. Da das H-Atom nur ein einziges Proton hat, welches das Elektron „festhalten“ kann, finden sich (außer einem anderen H-Atom) nur Partner, die dem H-Atom das Elektron abnehmen. Rein kommt Wasserstoff also nur als H² vor, wo sich zwei H-Atome ihre beiden Elektronen brüderlich teilen und so beide „denken“, sie hätten eine voll besetzte erste Schale.
Sauerstoff seinerseits hat 8 Protonen und mithin auch 8 Elektronen. Die erste Schale ist mit 2 voll besetzt, bleiben 6 übrig. Daswiederum sind zwei zuwenig, um auch die zweite Schale noch voll zu besetzen. Nun kann sich also ein O-Atom mit gleich zwei H-Atomen zusammentun, um alle ihre Probleme zu lösen. Das das O-Atom aber mehr Protonen (also mehr positive Ladung) im Kern hat, kann es die Elektronen viel besser an sich binden als die H-Atome. In der Fachsprache sagt man, Sauerstoff hat eine größere Elektronegativität als Wasserstoff. Bei der Verbindung von H und O gibt H also „im Prinzip“ sein Elektron an das O ab. H „denkt“, es ist auch seine erste Schale los und O „denkt“, seine zweite Schale sei voll besetzt.
Nun kann es passieren, dass sich ein H, welches ja kaum noch was von „seinem“ Elektron mitbekommt, aus der Verbindung löst. Hierbei handelt es sich ja nur noch um ein Proton (H+). Übrig bleibt das O mit dem anderen H. Den beiden steht jetzt das Elektron der „verlorenen“ H’s voll und ganz zur Verfügung und das O schückt sich nun damit: es bleibt ein OH- zurück.
Das Proton wird nur dann abgegeben, wenn es sich außerhalb seiner Bindung mit dem O auch wohl fühlt, will heißen, wenn seine Positive Ladung ausgeglichen wird. Das ist der Fall, wenn das O eines anderen Wassermoleküls „in geeigneter Weise“ sehr nahe an das Proton herankommt. Wegen der hohen Elektronegativität des O’s zieht es die Elektronen der H’s ja mehr zu sich hin und erscheint damit leicht negativ, während die H’s leicht positiv erscheinen.
Doch jetzt endlich weiter mit deiner Frage:
Nun befinden sich zwei Elektroden im Wasser, an die eine Spannung angelegt ist. D.h. aus der Kathode möchten Elektronen raus und in die Anode möchten Elektronen rein. Wenn es eine Verbindung zwischen Kathode und Anode gäbe, würden die Elektronen eben von der Kathode zur Anode fließen.
Wenn jetzt an der Kathode ein bzw zwei Protonen vorbeikommen, tragen die ja eine positive Ladung. Die kann von einem negativ geladenen Elektron (e-) aus der Kathode ausgeglichen werden. Das ist schonmal gut. Dann hat das H-Atom aber wieder ein Problem mit einer nicht voll besetzten Schale. Die Lösung: Es tut sich sofort mit einem weiteren H-Atom zusammen, es entsteht H², was als Gas entweicht. Du kannst dir das auch so vorstellen, dass das Proton gleich zwei Elektronen aufnimmt, dann liegt es als H- vor: es hat zwar eine voll besetzte Schale, trägt aber eine negative Ladung. Dieses H- tut sich dann mit einem H+ zusammen - H² und fertig. Oder, wenn gerade kein H+ da ist, findet sich ein H²O. Dann wird von diesem ein H überredet mitzukommen. Zurück bleibt ein OH-.
In einfacher Schreibweise sieht das so aus:
2 H+ + 2 e- > H²
Mit den OH- - Ionen passiert das umgekehrte an der Anode, sie geben Elektronen ab. Dabei wir nun nicht der Wasserstoff, sondern der Sauerstoff (O²) frei. Damit die Gleichung ausgeglichen ist, muß man 4 OH- zusammennehmen (zwei braucht man, um ein O² zu bekommen und zwei weitere braucht man, um die vier „freiwerdenden“ Protonen aufzunehmen):
4 OH- > 2 H²O + O² + 4 e-
Eigentlich war’s das. War vielleicht ein bißschen lang, aber hoffentlich verständlich.
Gruß
Jochen