Wiederholung: Eine galvanische Zelle ist eine Kombination aus zwei Elektroden (bzw. Halbzellen), beispielsweise beim Daniell-Element: Zink/Zinksulfat-Elektrode und Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode. Verbindet man die beiden Elektronen mit einem elektrischen Leiter, so entsteht eine Potentialdifferenz (Spannung), aufgrund des unterschiedlichen Bestrebens der beiden Metalle, Elektronen abzugeben. Wie im vorherigen Kapitel beschrieben, ist das Potential von dem verwendeten Stoff und von der Konzentration der Elektrolytlösung abhängig.
Kombiniert man beide Elektronen mit einem elektrischen Leiter und sorgt mit einer Strombrücke für den Ladungsausgleich zwischen beiden Halbzellen, so fließen Elektronen von der Anode über den elektrischen Leiter zur Kathode. Für den Stromtransport ist die elektrochemische Potentialdifferenz zwischen beiden Halbzellen verantwortlich. Diese Potentialdifferenz lässt sich als Spannung mit einem Spannungsmessgerät bestimmen. Das Potential einer einzelnen Elektrode kann nicht gemessen werden, sondern nun in Relation zu einer anderen Elektrode (Bezugselektrode)
In diesem Kapitel wollen wir aber nicht die Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden messen, sondern berechnen. Dazu müssen wir zwei Fälle unterscheiden:
1. Unsere galvanische Zelle wird bei irgendeiner Temperatur betrieben, die Konzentration der Elektrolytlösungen in den einzelnen Halbzellen entspricht nicht der Konzentration 1 mol/L. Dann müssen wir die Potentialdifferenz der beiden Elektroden mit Hilfe der Nernst´schen Gleichung berechnen (siehe nächstes Kapitel).
2. Unser galvanische Zelle wird bei Standardbedingen betrieben, das heißt, die “Reaktionstemperatur” beträgt 298,15 bzw. 293,15 K, die Konzentration der beiden Elektrolytlösungen jeweils 1 mol/L (bei Gasen beträgt der Partialdruck 1 bar). Dann können wir die Werte für die Potentiale der einzelnen Elektroden (bei Metallen: Redoxpaaren) auch aus der sogenannten elektrochemischen Spannungsreihe entnehmen.
Wir wollen nun einmal die Potentialdifferenz des Daniell-Elements bestimmen, dies unter Standardbedingungen. Liegen Standardbedingungen vor, bezeichnet man das Potential auch als Normalpotential (alter Begriff) oder Standardelektrodenpotential. Hierzu können wir es uns “unnötig” kompliziert machen und uns überlegen, in welcher Halbzelle die Reduktion und in welcher Halbzelle die Oxidation abläuft. Die Formel zur Berechnung der Potentialdifferenz lautet (nämlich):
An der Anode findet die Oxidation und an der Kathode die Reduktion statt. Da wir aber unter Standardbedingungen “rechnen” und die elektrochemische Spannungsreihe verwenden, können wir folgenden “Trick” anwenden. Zwischen Oxidation / Reduktion und edel / unedel besteht ein Zusammenhang (siehe entsprechendes Kapitel). Daraus folgt die einfache Formel zur Berechnung der Potentialdifferenz einer galvanischen Zelle unter Standardbedingungen:
Beispiel:
Berechnen wir nun die Potentialdifferenz des Daniell-Elements unter Standardbedingungen. Dazu verwenden wir die elektrochemische Spannungsreihe und entnehmen folgende Werte:
Kupferelektrode: E0 = + 0,34 V
Zinkelektrode: E0 = – 0,76 V
Ohne zu wissen, wo nun die Oxidation und Reduktion stattfindet, können wir sofort sagen, dass die Kupferelektrode die Kathode ist und die Zinkelektrode die Anode ist.
Setzen wir die Werte nun in die Gleichung ein: ∆E0 = E0 (Kathode) – E0 (Anode) = (+ 0,34 V) – (- 0,76 V) = 1,1 V
Dieser Wert deckt sich auch mit dem Literaturwert und zeigt uns, wie einfach Berechnung der Zellspannung bei einer galvanischen Zelle unter Standardbedingung ist.
Unter einer galvanischen Zelle versteht man eine Vorrichtung, die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Sie besteht typischerweise aus zwei unterschiedlichen Halbzellen, die durch eine Salzbrücke miteinander verbunden sind.
“Potenzial” in Bezug auf galvanische Zellen bezieht sich auf die elektrische Spannung oder die Kapazität einer Zelle, elektrische Energie zu erzeugen. Es hängt von den spezifischen Eigenschaften der in der Zelle verwendeten Substanzen ab.
Die Salzbrücke ermöglicht den Ionenfluss zwischen den Halbzellen einer galvanischen Zelle. Sie trägt somit zur Aufrechterhaltung des elektrischen Gleichgewichts in der Zelle bei und ermöglicht den Stromfluss.
Die Zellspannung einer galvanischen Zelle misst man üblicherweise mit einem Voltmeter, das zwischen die beiden Elektroden der Zelle geschaltet wird.
Die Zellspannung hängt gemäß dem Nernst-Gleichung von der Konzentration der Lösungen in den Halbzellen ab. Sie nimmt zu, wenn die Konzentration der reduzierten Spezies zunimmt bzw. die Konzentration der oxidierten Spezies abnimmt.
Die Standard-Zellspannung ist die Zellspannung, die bei einer bestimmten Standardbedingung (Temperatur, Druck und Konzentration) erzeugt wird. Sie wird berechnet, indem die Standard-Redoxpotenziale der oxidierten und reduzierten Spezies subtrahiert werden.
Redoxreaktionen sind Reaktionen, bei denen eine Substanz Elektronen abgibt (Oxidation) und eine andere Substanz diese Elektronen aufnimmt (Reduktion).
Die Zellspannung bei einer gegebenen Temperatur kann mit der Nernst-Gleichung berechnet werden, die die Temperatur, die Konzentrationen der reagierenden Spezies und die Anzahl der übertragenen Elektronen berücksichtigt.
Das Redoxpotential ist ein Maß für die Fähigkeit einer Substanz, Elektronen abzugeben (oxidiert zu werden) oder aufzunehmen (reduziert zu werden).
Das Redoxpotential einer Halbzelle hängt von der Art der beteiligten Stoffe, der Temperatur, dem Druck und der Konzentration der Stoffe ab.