Besondere galvanische Zellen – das Konzentrationselement

Das Konzentrationselement als galvanische Zelle:

Eine (einfache galvanische Zelle ist im Prinzip immer gleich aufgebaut. Zwei Halbzellen, die räumlich voneinander getrennt sind (zu Elektrodenräumen), aber miteinander elektrisch leitend verbunden sind (z.B. über ein Kabel). Um den Ladungsausgleich der Elektrolytlösungen in den beiden Halbzellen zu gewährleisten, wird eine sogenannte Salzbrücke verwendet, die beide Elektrodenräume verbindet.

Inzwischen gibt es viele galvanische Zellen (auch als galvanische Elemente bezeichnet), eine der ältesten galvanischen Zellen ist das Daniell-Element. Bei dieser galvanischen Zelle bestehen die beiden Halbzellen aus einer Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode und einer Zink/Zinksulfat-Elektrode. Aufgrund des unterschiedlichen Bestrebens der Metalle, Elektronen abzugeben, baut sich zwischen den beiden Elektroden eine Potentialdifferenz auf, weshalb eine Spannung zwischen beiden Halbzellen messbar ist.

Wie man mit Hilfe einiger Versuche zeigen kann, ist das das (elektrochemische) Potential einer Halbzelle abhängig von der Konzentration der Elektrolytlösung. So hat beispielsweise nicht jede Zink/Zinksulfat-Elektrode das gleiche Potential. Allgemein gilt, dass je geringer die Konzentration der Elektrolytlösung ist, desto niedriger das Potential dieser Halbzelle. Daraus stellt sich die Frage, ob man eine galvanische Zelle aus zwei gleichen Halbzellen aufbauen kann, bei denen sich nur die Elekrolytlösungen in ihrer Konzentration unterscheiden.

Und tatsächlich kann man solche galvanischen Zellen aufbauen. Solche galvanischen Zellen werden auch als Konzentrationselemente bzw. Konzentrationsketten bezeichnet.

Bei diesen galvanischen Elementen bestehen beide Halbzellen, die miteinander kombiniert werden, aus den gleichen Stoffen, d.h. die verwendeten Metalle und Elektrolytlösungen sind gleich, allerdings sind die Konzentrationen der Elektrolytlösungen in den Halbzellen unterschiedlich. Wichtige Voraussetzung zum Betrieb eines Konzentartionselements ist, dass sich die beiden Elekrolytlösungen nicht durchmischen. Das Potential eines Konzentrationselements lässt sich mit Hilfe der Nernst-Gleichung bestimmen.

Analog den galvanischen Zellen gilt auch bei den Konzentrationselementen, dass an der Anode die Oxidation und an der Kathode die Reduktion stattfindet. Bei einem Konzentrationselement findet die Oxidation in der Halbzelle mit der geringeren Elektrolytkonzentration statt. Aufgrund der geringeren Konzentration der Elektrolytlösung hat das Metall (im Vergleich zur anderen Halbzelle) ein höheres Bestreben, Elektronen abzugeben (und zu einem Metallion oxidiert zu werden). Nun gibt es zwei Merkregeln, Kathode und Anode zu bestimmen. Da die Elektronenabgabe an dieser Elektrode zu einem Elekronenüberschuss führt, ist diese Elektrode also der Minuspol. Da an dieser Elektrode eine Oxidation stattfindet, ist diese Elekrode gemäß den physikalischen Grundgesetzen die Anode.