Mit Batterien und Akkumulatoren, kurz Akkus, haben wir alle tagtäglich zu tun. Ob in deinem Handy, in deiner Musikbox oder auch in deinem Taschenrechner, überall sind sie zu finden. Doch welches Prinzip steckt überhaupt dahinter?
Hier kommen die elektrochemischen Zellen, auch galvanische Zellen genannt, ins Spiel, genauso wie die elektrochemische Spannungsreihe.
Die elektrochemische Spannungsreihe an sich ist eine Liste an Redoxpaaren und ihren zugehörigen Standardelektrodenpotentialen.
In dieser Reihe sind die oxidierte und die reduzierte Form nebeneinander angeordnet, zusammen mit der Anzahl der übertragenen Elektronen und dem Standardpotential des Redoxpaares. Einzelne Redoxpaare sind nach Standardpotential (E0) in aufsteigender oder absteigender Reihenfolge sortiert.
Jede Redoxreaktion kann durch zwei Paare beschrieben werden, und die Richtung der Reaktion kann aus der elektrochemischen Sequenz vorhergesagt werden.
Aufbau einer galvanischen Zelle
Eine elektrochemische Zelle besteht immer aus zwei Halbzellen. Diese bestehen jeweils aus einem Gefäß, welches mit einer bestimmten Flüssigkeit (dem Elektrolyten) gefüllt ist und einer Elektrode, die passend zu der Flüssigkeit gewählt ist. Diese beiden Zellen werden dann über eine Salzbrücke miteinander verbunden, sodass Elektronen von der einen Halbzelle in die andere wandern können. Der entstandene Elektronenstrom wird dann mithilfe eines Voltmeters gemessen.
Salzbrücken sind Ionenbrücken, die zwei Systeme miteinander verbinden. Über diese Brücke können Ionen passieren und zwischen den Systemen ausgetauscht werden.
Als Alternative gibt es zum Beispiel auch die semipermeable Membran. Bei dieser Variante befinden sich beide Elektrolytlösungen in einem Gefäß und werden nur durch diese semipermeable Membran getrennt, welche auch nur Ionen passieren lässt.
Vor allem in Batterien und Akkumulatoren wird die Galvanische Zelle verwendet. Jede Kombination aus zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten wird als galvanische Zelle bzw. galvanisches Element bezeichnet.
Bei der galvanischen Zelle kannst du die beiden Halbzellen in Form der zwei verschiedenen Behälter erkennen. In diesem Beispiel ist diese galvanische Zelle das sogenannte Daniell-Element.
Das Daniell-Element zeichnet sich dadurch aus, dass es aus einer Zink-Halbzelle und einer Kupfer-Halbzelle besteht. Diese bestehen jeweils aus einer Zink- beziehungsweise Kupfer-Elektrode und den dazugehörigen Lösungen Zinksulfat und Kupfersulfat.
In einer galvanischen Zelle gibt eine Elektrode immer Elektronen ab (sie wird oxidiert, Anode), die von der anderen aufgenommen werden (diese wird reduziert, Kathode). So lässt sich bestimmen, welches der beiden Elektrodenmetalle edler ist. Das Metall, welches Elektronen aufnimmt, ist immer edler als das, welches Elektronen abgibt.
In diesem Fall gibt die Zink-Elektrode Elektronen ab. Dies geschieht, indem das elementare Zink der Elektrode als Zn2+-Ion in Lösung geht. Die dabei frei werdenden Elektronen wandern über die Salzbrücke in die andere Halbzelle und reduzieren das Kupfersulfat des Elektrolyten zu elementarem Kupfer. Dieses Kupfer setzt sich an der Kupfer-Elektrode ab.
Währenddessen wandern von der Kupfer-Halbzelle aus Ionen des Sulfats über die Salzbrücke, um den Gradienten auszugleichen. So gesehen nimmt die Kupfer-Elektrode also immer an Masse zu, da immer mehr Kupfer entsteht und immer mehr von der Zink-Elektrode verloren geht.
Elektrochemische Spannungsreihe – Bestimmung der Standardpotentiale
Für die Bestimmung der Standardpotentiale wird immer eine Halbzelle mit der Standard-Wasserstoff-Halbzelle zusammengesetzt.
Die Standard-Wasserstoff-Halbzelle besteht aus einer Platin-Elektrode, die in eine Elektrolytlösung mit Oxonium-Ionen (H3O+) getaucht ist. Sie fungiert als willkürlicher Nullpunkt, da Elektrodenpotentiale nicht direkt, sondern nur in Bezug zueinander gemessen werden können.
Dabei misst das Voltmeter das Potential (Spannung) zwischen der zu testenden Halbzelle und der Standard-Wasserstoff-Halbzelle. Alle Halbzellen, die der Standard-Wasserstoff-Halbzelle Elektronen abgeben, sind unedel und haben einen negativen Wert als Standardpotential. Die Halbzellen, die von der Standard-Wasserstoff-Halbzelle Elektronen aufnehmen, sind edel und haben ein positives Standardpotential.
Diese Werte kann man nur experimentell bestimmen, indem die galvanischen Zellen mit verschiedenen Zusammensetzungen verwendet werden.
Elektrochemische Spannungsreihe – Tabelle
Die meisten Standardelektrodenpotentiale (oder auch Standardpotential) wurden bereits bestimmt. Du findest sie in den gängigen Tafelwerken oft in Tabellenform. Bei der Verwendung der Daten solltest du beachten, dass diese unter Standardbedingungen erhoben wurden.
In der Elektrochemie gilt eine Temperatur von 25 °C (298,15 Kelvin) als Standardbedingung. Es wird zudem angenommen, dass alle Reaktionspartner eine Aktivität von 1 besitzen.
Abbildung 2: elektrochemische Spannungsreihe
Das Standardpotential gibt dir Auskunft darüber, wie stark die Elektrode Elektronen anzieht. So kann man aus dem Spannungsverlauf auf das Redoxverhalten von Stoffen schließen und vorhersagen, ob und in welche Richtung die Redoxreaktion unter Standardbedingungen abläuft.
Du siehst, dass Fluor hier das höchste Standardpotential besitzt. Das heißt, dass Fluor am stärksten nach Elektronenaufnahme strebt. Das heißt auch, dass mit abnehmenden Elektrodenpotential das Streben nach Elektronenaufnahme geringer wird. Ab dem Zeitpunkt, an dem das Standardpotential ins Negative wechselt, streben die Stoffe eher nach Elektronenabgabe. Dieses Streben nimmt mit abnehmendem Elektrodenpotential immer weiter zu.
Elektrochemischen Spannungsreihe – Anwendung der Daten
Was kann nun mit den Daten aus der elektrochemischen Spannungsreihe gemessen und berechnet werden?
Die elektrochemische Spannungsreihe ermöglicht die Berechnung der maximalen Spannung, die Batterien und Akkumulatoren liefern können. Außerdem kann man im Umkehrschluss so auch herausfinden, wie hoch die Spannungen sind, die mindestens für das Antreiben von Elektrolysen bzw. Laden der Akkumulatoren angelegt werden müssen.
Die Gleichung, die du benötigst, um die maximalen Spannung berechnen zu können, lautet:
Dabei steht E0 für das Standardpotential der jeweiligen Elektrode. Mit dem Zusatz Δ (sprich Delta) wird eine Änderung oder Differenz angegeben.
Auch Richtung und Stärke der Reaktion lassen sich berechnen. Werden zwei Redoxpaare in der Reaktionslösung gemischt, so wird das Paar mit dem höheren Redoxpotential reduziert und das Paar mit dem niedrigeren Redoxpotential oxidiert.
Darüber hinaus enthält die elektrochemische Spannungsreihe eine Abstufung von Metallen ("sehr edles Metall", "Edelmetall", "weniger edles Metall", "unedles Metall", "sehr unedles Metall") entsprechend ihrer Oxidationsneigung in Säuren. Die Standardpotentiale der Edelmetalle haben ein positives Vorzeichen, während die Potentiale der unedlen Metalle ein negatives Vorzeichen haben.
Um die maximale Spannung einer Batterie oder eines Akkus berechnen zu können, benötigst du nur die beiden Standardpotentiale der Halbzellen, die du in deine galvanische Zelle einbauen möchtest.
Als Beispiel kannst du dir wieder das Daniell-Element anschauen.
Zunächst berechnest du die Potentialdifferenz ΔE0 des Daniell-Elements unter Standardbedingungen. Dazu suchst du in der Tabelle der Standardpotentiale nach Kupfer und Zink:
Kupfer-Elektrode: = + 0,34 VZinkelektrode: = – 0,76 V
Durch die beiden Werte der Standardpotentiale weißt du nun schon, dass die Kupfer-Elektrode die Kathode und die Zink-Elektrode die Anode ist.
Um nun zu berechnen, welche Spannung von der galvanischen Zelle abgegeben wird, setzt du die Werte in folgende Gleichung ein:
Setzt du die Werte ein, erhältst du:
Dieser Wert deckt sich auch mit dem Literaturwert und zeigt, wie einfach die Berechnung der Zellspannung bei einer galvanischen Zelle unter Standardbedingungen ist.
Elektrochemische Spannungsreihe - Das Wichtigste
- Die elektrochemische Spannungsreihe ist eine Liste an Redoxpaaren und ihren zugehörigen Standardelektrodenpotentialen E0.
- Die Daten aus der elektrochemische Spannungsreihe werden in sogenannten galvanischen Zellen bestimmt.
- Unedle Metalle geben Elektronen ab und haben ein negatives Standardpotential, edle Metalle nehmen Elektronen auf und haben ein positives Standardpotential.
- Ein Voltmeter zeigt den vorhandenen Strom in einer galvanischen Zelle an.
- Die Gleichung zur Berechnung der maximalen Spannung von Batterien und Akkumulatoren lautet: .
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