Potential von Elektroden (Niveau Sek I)

In einem vorherigen Kapitel wurde der „Aufbau einer Elektrode“ vorgestellt. Nun wollen wir eine solche „Elektrode“ modellhaft aufbauen. Dazu tauchen wir einen Zinkstab in eine Lösung aus Kupfersulfat und beobachten, dass der Zinkstab von einer Schicht von metallischem Kupfer überzogen. Es hat also ein elektrochemischer Vorgang stattgefunden.

Wie kommt es nun zu einer Potentialbildung?

Taucht man einen Metallstab bzw. Metalle in eine Lösung, so macht sich der sogenannte „Elektronendruck“ bemerkbar . Das Metall gibt Elektronen (Metall = Metallionen auf Gitterplätzen und freibeweglichen Elektronen im Metallgitter) ab, so bilden sich positiv geladene Metallionen, die als Kationen in Lösung gehen. Der sogenannte „Elektronendruck“ wird in der Chemie als das Bestreben eines Metalls bezeichnen , seine Außenelektronen abzugeben. Durch die Elektronenabgabe erreicht das Metallion eine volle Valenzschale und erreicht so die Edelgaskonfiguration, was energetisch besonders günstig ist (z.B. Alkalimetalle haben 1 Elektron auf ihrer äußersten Schale, geben sie dieses Elektron ab, erreichen sie die Edelgaskonfiguration des vorangegangenen Edelgases). Für jedes Metall gibt es nun eine charakteristischen „Elekronendruck“.

Betrachten wir uns nun im ersten Schritt eine Elektrode aus nur einem Metall an (z.B. Kupferstab in Kupfersulfatlösung). Taucht der Kupferstab in die Lösung, so kommt es zwischen dem Metallstab und der Metallsalzlösung zu den sogenannten Elektrodenreakionen, es kommt zum Austausch von Ladungsträgern (Ionen und Elektronen). So gehen Metallatome aufgrund des Elektronendrucks als Metallionen in Lösung. Die bei der Ionisierung „entstandenen“Elektronen verbleiben auf dem Metallstab und „lädt“ den Metallstab negativ auf. Dadurch entsteht an der Phasengrenze Metall/Elektrolytlösung ein Potential. Den von der Lösung wiederum werden die Metallionen auf den Metallstab übertragen und „nehmen“ dort wieder die Elektronen auf. Bei jeder Elekrodenreakion bildet sich eine Gleichgewichtseinstellung, die Ursache für die Gleichgewichtseinstellung ist zum Einen der Lösungsdruck von Metallen (Metall gibt Elektronen ab, Metallionen gehen in Lösung) und der osmotische Druck von Elektrolytlösungen (Verdünnungseffekt, die Elektrolytlösung überträgt die Ionen auf den Metallstab). Im Rahmen des Schulunterrichts spricht man hierbei von einer sogenannten elektrochemischen Doppelschicht. Dieses Modell wird v.a. bei der Elektroden-Kombination von Metallen und Elektrolyten verwendet. Im Grunde handelt es sich bei der Doppelschicht um eine Grenzschicht mit unterschiedlichen Ladungen, und wie wir aus der Physik wissen, baut sich zwischen zwei (unterschiedlichen) Ladungen ein elektrisches Feld auf, es entsteht ein Potential.

Betrachten wir uns in nächsten Schritt Elektroden mit zwei verschieden Metallen (Beim Tauchen eines Kupferstabes in eine Kupfersalzlösung kann man schließlich nichts beobachten). Betrachten wir uns nochmals das eingangs vorgestellte Experiment. Der Zinkstab taucht in eine Kupfersulfatlösung, dabei beobachten wir, wie auf dem Zinkstab sich eine Kupferschicht bildet und die Kupfersalzlösung entfärbt wird. Es entsteht eine Zinksulfat Lösung. In diesem Experiment hat also das Zink Elektronen abgegeben, wobei Zinkionen entstanden sind, die in Lösung gegangen sind. In der Lösung wiederum sind die Kupferionen auf den (nun negativ geladenen) Zinkstab „übertragen“ worden und dort durch die Elektronen zu Kupfer reduziert worden. Ein „Metall“ gibt also Elektronen ab (wird zum Metallion) und das andere „Metall“ nimmt die Elektronen auf (und wird so zum Metall)

Allgemein ausgedrückt: Kombiniert man zwei Metalle/ionen zu einer Elektrode, so „wandern“ die Elektronen von dem Metall mit dem höheren Elektronendruck zu dem mit niedrigerem Elektronendruck. Dies wird später zur Herleitung der elektrochemischen Spannungsreihe verwendet werden.