Elektrochemische Potentiale bestimmen: Einfach erklärt

Hast du dich schon einmal gefragt, wie man genau misst, wie viel 'Kraft' in einer Batterie steckt? Jede Batterie besteht aus verschiedenen Metallen, die miteinander reagieren und so Strom erzeugen.

In diesem Artikel lernst du, wie man solche Batterien (galvanische Zellen) im Labor selbst baut. Du wirst verstehen, wie man die Spannung zwischen verschiedenen Metallen misst, warum wir einen 'Nullpunkt' dafür brauchen und wie sogar ein einfacher Konzentrationsunterschied Strom erzeugen kann.

Vorwissen

• Oxidation: Die Abgabe von Elektronen durch einen Stoff.

  Beispiel: Ein Zink-Atom gibt zwei Elektronen ab und wird zu einem $\text{Zn}^{2+}$-Ion.

• Reduktion: Die Aufnahme von Elektronen durch einen Stoff.

  Beispiel: Ein $\text{Cu}^{2+}$-Ion nimmt zwei Elektronen auf und wird zu festem Kupfer.

• Galvanische Zelle: Ein Aufbau, der chemische Energie in elektrische Energie (Strom) umwandelt, indem Oxidation und Reduktion räumlich getrennt ablaufen.

Aufgabentyp 1: Messen von Potenzialdifferenzen

Um die Spannung zwischen zwei Metallen zu messen, bauen wir eine galvanische Zelle. Diese besteht immer aus zwei sogenannten Halbzellen. Eine Halbzelle ist einfach ein Stück Metall, das in eine Lösung seiner eigenen Ionen taucht (zum Beispiel ein Silberblech in Silbernitratlösung).

Wenn wir die beiden Metalle mit einem Kabel verbinden, können Elektronen fließen. Das Metall, das lieber Elektronen abgibt, nennen wir den Elektronendonator (Anode). Hier findet die Oxidation statt. Das andere Metall, das die Elektronen aufnimmt, ist der Elektronenakzeptor (Kathode). Hier findet die Reduktion statt.

Damit der Stromkreis wirklich geschlossen ist und der Strom dauerhaft fließen kann, fehlt noch ein wichtiges Bauteil: die Elektrolytbrücke (auch Salzbrücke genannt). Sie verbindet die beiden Flüssigkeiten miteinander. Durch sie können Ionen wandern, um den Ladungsunterschied auszugleichen, der durch den Elektronenfluss entsteht. Ohne die Salzbrücke würde die Reaktion sofort stoppen.

Messung der Spannung zwischen Zink und Kupfer

Zweck: Wir bauen eine galvanische Zelle, um die Spannung zwischen Zink und Kupfer zu messen.

Materialien: Zinkblech, Kupferblech, 50 mL Zinksulfatlösung, 50 mL Kupfersulfatlösung, 2 Bechergläser, Filterpapierstreifen, Kaliumnitratlösung (für die Salzbrücke), Voltmeter, Kabel.

⚠️ Sicherheitshinweis: Schutzbrille tragen. Metallsalzlösungen können umweltgefährdend sein und dürfen nicht getrunken werden.

Durchführung:

1. Fülle 50 mL der Zinksulfatlösung in ein Becherglas und stelle das Zinkblech hinein.

2. Fülle 50 mL der Kupfersulfatlösung in das zweite Becherglas und stelle das Kupferblech hinein.

3. Tränke den Filterpapierstreifen in Kaliumnitratlösung und hänge die Enden in beide Bechergläser.

4. Verbinde die beiden Bleche über Kabel mit dem Voltmeter.

Beobachtung: Sobald das Filterpapier beide Lösungen berührt, zeigt das Voltmeter sofort eine Spannung von etwa $1{,}1 \text{ V}$ an.

Erklärung: Das Zinkblech fungiert als Elektronendonator (Anode) und gibt Elektronen ab. Diese fließen über das Kabel zum Kupferblech, dem Elektronenakzeptor (Kathode). Das nasse Filterpapier dient als Elektrolytbrücke und schließt den Stromkreis.

Aufgabentyp 2: Die Wasserstoffbezugselektrode als Nullpunkt

Mit einem Voltmeter können wir immer nur den Unterschied (die Spannung) zwischen zwei Metallen messen, aber niemals den absoluten Wert eines einzelnen Metalls. Das ist wie bei der Höhe eines Berges: Wir brauchen einen Nullpunkt, wie den Meeresspiegel, um Höhen vergleichen zu können.

In der Chemie ist dieser Nullpunkt die Standard-Wasserstoffhalbzelle. Ihr Potenzial wurde willkürlich auf exakt $0 \text{ V}$ festgelegt. Da Wasserstoff ein Gas ist, kann man daraus kein festes Blech bauen. In der Schule nutzen wir dafür einen cleveren Trick: Wir tauchen eine Platinelektrode in Salzsäure und geben ein kleines Stück Magnesium dazu.

Das Magnesium reagiert kurz mit der Säure und erzeugt Wasserstoffgas-Bläschen. Diese Bläschen heften sich an die Platinelektrode. Das Platin verhält sich nun so, als bestünde es komplett aus festem Wasserstoff! Wenn wir diese Wasserstoffhalbzelle nun mit einem anderen Metall verbinden, entspricht die gemessene Spannung genau dem Standardpotenzial dieses Metalls.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Anode und Kathode bestimmen: Finde heraus, welche Halbzelle der Elektronendonator (Anode) und welche der Elektronenakzeptor (Kathode) ist.
2. Formel aufstellen: Nutze immer diese Grundgleichung für die Zellspannung $U$: $U = \textcolor{#53E5D6}{E_{\text{Kathode}}} - \textcolor{#08BFFF}{E_{\text{Anode}}}$
3. Werte einsetzen und auflösen: Setze die gemessene Spannung und das bekannte Potenzial ein. Löse die Gleichung dann nach dem unbekannten Potenzial auf.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 3: Konzentrationszellen

Was passiert, wenn wir eine galvanische Zelle aus exakt dem gleichen Metall bauen, zum Beispiel zwei Silberelektroden? Normalerweise wäre die Spannung genau $0 \text{ V}$, da beide Metalle gleich stark an ihren Elektronen ziehen.

Es gibt jedoch einen Trick: Wenn die Salzlösungen in den beiden Bechergläsern unterschiedlich stark konzentriert sind (eine ist sehr wässrig, die andere sehr stark konzentriert), entsteht trotzdem eine Spannung! Diesen Aufbau nennt man Konzentrationszelle.

Warum passiert das? Die Natur möchte Unterschiede immer ausgleichen. Die Seite mit der niedrigen Konzentration löst mehr Metall auf, um neue Ionen zu erschaffen (Anode). Die Seite mit der hohen Konzentration verwandelt Ionen in festes Metall, um die Konzentration zu senken (Kathode). Diese Bewegung von Elektronen erzeugt die messbare Spannung.

Wenn wir die Spannung $U$ für verschiedene Konzentrationen messen und in ein Diagramm eintragen, erkennen wir ein klares mathematisches Muster. Tragen wir die Spannung gegen den Logarithmus des Konzentrationsverhältnisses $\lg\left(\frac{c_2}{c_1}\right)$ auf, erhalten wir eine perfekte gerade Linie.

Dieses Diagramm beweist, dass die erzeugte Spannung direkt vom Verhältnis der beiden Konzentrationen abhängt.

Wichtige Erkenntnisse

• Eine Elektrolytbrücke (Salzbrücke) ist zwingend nötig, um den Stromkreis in einer galvanischen Zelle zu schließen.

• Die Standard-Wasserstoffelektrode dient als Nullpunkt ($0 \text{ V}$) zur Messung von Potenzialen.

• Die Zellspannung berechnet sich immer mit: $U = \textcolor{#53E5D6}{E_{\text{Kathode}}} - \textcolor{#08BFFF}{E_{\text{Anode}}}$

• Konzentrationszellen erzeugen eine Spannung, weil die Natur Konzentrationsunterschiede ausgleichen möchte.