Elektroden (Niveau Sek I)

wir befassen uns im Rahmen der Elektrochemie ganz selbstverständlich mit „Elektroden“, ohne auf diesen Begriff genauer einzugehen.:Viele stellen sich eine Elektrode als einen Werkstoff (in der Regel ein Metall) vor, der elektrisch leitend ist. Weniger bekannt ist, dass eine Elektrode in fester oder flüssiger Form (z. B. als Quecksilber) vorliegen kann.

Die Bedeutung des Begriffs „Elektroden“ im fachlichen Sprachgebrauch lässt sich auf den Forscher Faraday zurückführen: Elektroden sind mehrphasige Systeme, in denen sich elektrochemische Gleichgewichte einstellen können.

Dieser Elektrodenbegriff heisst „einfach gesagt“ nichts anders, dass Elektroden aus mind. zwei Phasen bestehen. Am Beispiel einer Metallelektrode kann man sich das gut vorstellen: Die Elektrode setzt sich dabei aus einer metallischen Phase und einer flüssigen Phase zusammen (der Elektrolytlösung).An der Phasengrenze zwischen metallischer Phase und Elektrolyt laufen die elektrochemischen Reaktionen ab. Nachfolgend ein paar Elektroden aufgelistet:

  • Silber / Silbernitratlösung
  • Platin / verdünnte Salzsäure

Der Schrägstrich in den oben gezeigten Elektrodentypen kennzeichnet die Phasengrenze, durch die die Ladungsträger (Elektronen und Ionen) ausgetauscht werden. Dabei können Elektroden aus festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen bestehen. Dass Elektroden aus festen Werkstoffen oder sogar nur aus Metallen bestehen, hat sich im alltäglichen Verständnis von Elektroden etabliert, was aber nicht korrekt ist. In diesem Fall würde man eine Elektrode nur als die metallische Phase verstehen. Diese Verwendung des Begriffs „Elektrode“ im Sprachgebrauch liegt daran, dass man sich eine Elektrode als „Stromleiter“ vorstellt, der einfach „Ladungsträger“ (weiter)leitet.

Einteilung von Elektroden:
In der Elektrochemie unterteilt man Elektroden noch genauer, beispielsweise ja nach Art der Ladungsträger (Ionen oder Elektronen), die durch die Phasengrenze ausgetauscht werden. Hier unterscheidet man die Ionenelektrode und die Redoxelektrode:

  • Ionenelektrode: Bei dieser Art von Elektrode treten durch die Phasengrenze der Elektrode nur Ionen als Ladungsträger
  • Redoxelektrode: Bei dieser Art von Elektrode treten durch die Phasengrenze der Elektrode nur Elektronen als Ladungsträger. Die meist metallische Phase leitet in diesem Fall die Elektronen nur weiter, deshalb ist sie inert. Eine Redoxelektrode nimmt nicht an elektrochemischen Vorgängen teil. Daher bestehen Redoxelektroden aus einem Werkstoff, dass nicht „oxidiert“ werden kann, diese Werkstoffe sind Platin oder Gold.

Zwischen den beiden Phasen einer Elektrode bildet sich ein Potential aus (siehe nächstes Kapitel), je nachdem ob dieses Potential von der Konzentration Elektrolytlösung (direkt) abhängig ist oder nicht, unterscheidet man ebenfalls zwei Arten von Elektroden: Elektroden erste Art und zweiter Art.

  • Elektroden erster Art: Elektroden erster Art sind Elektroden, deren Potential direkt von der Konzentration der Elektrolytlösung abhängt. Einfachste Form einer Elektrode erster Art ist ein Metall, das in eine Metallsalzlösung (im einfachsten Fall entspricht das Metall wie der der festen Phase). Hierbei bildet sich ein Gleichgewicht zwischen Metall und Metallionen, weshalb das Potential direkt von der Elektrolytlösung abhängt.
  • Elektroden zweiter Art: Elektroden zweiter Art sind Elektroden, deren Potential nicht direkt von der Konzentration der Elektrolytlösung abhängt. Dies liegt daran, dass bei Elektroden zweiter Art kein direktes Gleichgewicht zwischen der festen Phase und der Elektrolytlösung herrscht. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass in der Elektrolytlösung (mit den gelösten Ionen der festen Phase) eine schwer lösliche Verbindung ausfällt. Ein Beispiel für eine Elektrode zweiter Art ist eine Silberelektrode in einer Kaliumchlorid-Lösung, wobei schwer lösliches Silberchlorid ausfällt.

Elektrodenreaktionen

Durch die Potentialbildung an Elektroden laufen die sogenannten Elektrodenreaktionen ab. Dabei bezeichnet man den Übergang von Ladungsträger durch die Phasengrenze als Durchtrittsreaktion. Das heißt, bei einer Durchtrittsreaktion werden Ionen des Elektrolyten durch die Phasengrenze an die meist feste Phase (z.B. Metall) angelagert oder treten durch die Phasengrenze in die Lösung des Elektrolyten. Alle Reaktionen, die vor oder nach der Durchtrittsreaktion ablaufen, werden als sogenannte Folgereaktionen bezeichnet. Im Rahmen der Elektrochemie spricht man bei einer Elektrodenreaktion einer Elektrode von der Summe der Durchtritts- und Folgereaktionen.

Die Einteilung von Elektrodenreaktionen in Durchtritts- und Folgereaktionen erfolgt meist nur im Rahmen des Chemieunterrichts, da es das Verständnis für elektrochemische Vorgänge an Elektroden vereinfacht. In einigen Fällen lässt sich (in der Praxis) keine Auftrennung in Durchtritts- und Folgereaktionen durchführen.

Bei Elektrodenreakionen werden Ladungsträger ausgetauscht, diese können Ionen oder Elektronen sein. Zur Erinnerung: Gibt ein Stoff Elektronen ab, so wird dies als Oxidation bezeichnet, die Aufnahme von Elektronen als Reduktion.

Da wird im obigen Absatz gesehen haben, dass Elektrodenreakionen Gleichgewichtsreaktionen sind, läuft sowohl eine Oxidation, als auch Oxidation ab. Sind in einer Elektrodenkette (= galvanische Zelle) kann man die einzelnen Elektroden unterteilen in Anode und Kathode. Die Anode ist die Elektrode, an der die Oxidation erfolgt. Die Elektrode, an der die Reduktion erfolgt, wird als Kathode bezeichnet