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Elektrochemische Spannungsreihe

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Chemie

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.

Elektrochemische Spannungsreihe Daniell-Element StudySmarterAbbildung 1: Das Daniell-Element als Beispiel für eine galvanische Zelle Quelle: wikipedia.org

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.

Elektrochemische Spannungsreihe Tabelle Normalbedingungen StudySmarterAbbildung 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:

Elektrochemische Spannungsreihe Anwendung Formel Berechnung Spannung Batterie/Akkumulator StudySmarter

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:

elektrochemische Spannungsreihe Formel Berechnung Spannung Batterie/Akkumulator StudySmarter

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: elektrochemische Spannungsreihe Formel Berechnung Spannung Batterie/Akkumulator StudySmarter.

Elektrochemische Spannungsreihe

Unter dem Standardpotential eines Redoxpaares versteht man die maximal messbare elektrische Spannung zwischen einer Normal-Wasserstoffelektrode und der Halbzelle des jeweiligen Metalls.

Da Kupfer ein Standardpotential von +0,16 V und Magnesium ein Standardpotential von -2,38 V hat, ist Kupfer edler. Denn je positiver das Standardpotential, desto edler das Metall.

Die elektrochemische Spannungsreihe ist eine Liste an Redoxpaaren und ihren zugehörigen Standardelektrodenpotentialen.

Da Kupfer ein Standardpotential von +0,16 V und Zink ein Standardpotential von -0,76 V hat, ist Kupfer edler. Denn je positiver das Standardpotential, desto edler das Metall.

Finales Elektrochemische Spannungsreihe Quiz

Frage

Welches Metall wird als Elektrode bei der Standard-Wasserstoff-Halbzelle verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Standard-Wasserstoff-Halbzelle wird eine Platinelektrode verwendet.

Frage anzeigen

Frage

Wieso ist die Handhabung der Standard-Wasserstoff-Halbzelle so kompliziert?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Handhabung der Standard-Wasserstoff-Halbzelle ist so kompliziert, weil eine Knallgasreaktion hervorgerufen werden kann, wenn Sauerstoff in die Halbzelle eindringt und weil die Platinelektrode leicht zu verschmutzen ist.

Frage anzeigen

Frage

Wie unterscheidet sich die Normal-Wasserstoff-Halbzelle von der Standard-Wasserstoff-Halbzelle?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Normal-Wasserstoff-Halbzelle unterscheidet sich von der Standard-Wasserstoff-Halbzelle, damit, dass hier Salzsäure und Wasserstoffgas als Elektrolyte fungieren und dass die Reaktion unter atmosphärischen Bedingungen abläuft.

Frage anzeigen

Frage

Welches Vorzeichen haben unedle Metalle bei ihrem Standardpotential?


Antwort anzeigen

Antwort

Unedle Metalle haben ein negatives Vorzeichen bei ihren Standardpotentialen.

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Frage

Ist das Metall in einem Redoxsystem, bei dem Elektronen aufgenommen werden, edel oder unedel?


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Antwort

Das Metall ist in diesem Fall edel.

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Frage

Welche zwei weiteren Arten der Standard-Wasserstoff-Halbzelle gibt es?


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Antwort

Zwei weitere Arten der Standard-Wasserstoff-Halbzelle sind die Normal-Wasserstoff-Halbzelle und die reversible Wasserstoff-Halbzelle

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Frage

Wieso bietet sich Platin als Metall für die Elektrode der Standard-Wasserstoff-Halbzelle an?

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Antwort

Platin bietet sich als Metall für die Standard-Wasserstoff-Halbzelle an, da Platin ein sehr edles Metall ist und deshalb korrodiert dieses nicht schnell.

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Frage

Welche Alternative zur Salzbrücke gibt es zum Austausch von Elektrolyten ?


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Antwort

Als Alternative zur Salzbrücke empfiehlt sich beispielsweise eine semipermeable Membran

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Frage

In welcher Einheit wird das Standardpotential angegeben?


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Antwort

Das Standardpotential wird in Volt (V) angegeben

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Frage

Für welchen Bereich der Chemie hat die Standard-Wasserstoff-Halbzelle eine enorme Bedeutung?


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Antwort

Die Standard-Wasserstoff-Halbzelle hat für die physikalische Chemie eine enorme Bedeutung

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Frage

Welcher Bestandteil der Standard-Wasserstoff-Halbzelle stimmt nicht?


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Antwort

pH=7

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Frage

Welche Aussage über die reversible Wasserstoff-Halbzelle stimmt?

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Antwort

Wird bei kleinstmöglichem Strom durchgeführt, weil die Überspannung mit zunehmender Stromdichte an der Elektrode steigt

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Frage

Mit welcher Apparatur wird die Spannung in dem Aufbau der Standard-Wasserstoff-Halbzelle gemessen?

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Antwort

Die Spannung wird mit einem Voltmeter gemessen

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Frage

Aus welchen zwei Halbzellen besteht das Daniell-Element?

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Antwort

Das Daniell-Element besteht aus Kupfer und Zink Halbzellen.

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Frage

Wie erkennt man, ob ein Metall edel oder unedel ist?

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Antwort

Edel sind alle Metalle mit einem positiven Standardpotential und unedel sind alle Metalle mit einem negativen Standardpotential. Je höher das Standardpotential, desto edler das Metall.

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Frage

Womit wir der Strom in einer galvanischen Zelle gemessen?


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Antwort

Der Strom in einem galvanischen Element wird mit einem Voltmeter gemessen.

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Frage

Wie hoch ist die Temperatur bei solch einem Versuch, bei dem man die Standardpotentiale bestimmt?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Temperatur beträgt 25°C.

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Frage

Was genau ist die elektrochemische Spannungsreihe?

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Antwort

Die elektrochemische Spannungsreihe ist eine Liste an Redoxpaaren und ihren zugehörigen Standardelektrodenpotentialen.

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Frage

Wieso nimmt die Elektrode des edleren Metalls an Masse zu?


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Antwort

Die Elektrode des edleren Metalls nimmt an Masse zu, da die aufgenommenen Elektronen in die Halbzelle sich mit dem jeweiligen Metall in der Lösung verbinden und sich so als vollwertiges Metall an der Elektrode absetzen.

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Frage

Platin hat ein Standardpotential von +1,20 V und Blei ein Standardpotential von -0,13 V. Welches ist das edle und welches ist das unedle Metall? 


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Antwort

Da Platin ein höheres Standardpotential besitzt als Blei, ist Brom das edle und Blei das unedle Metall.

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Frage

Wie hoch ist der Druck bei solch einem Versuch, bei dem man die Standardpotentiale bestimmt?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Druck beträgt 101,3 kPa.

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Frage

Was kann man mithilfe der elektrochemischen Spannungsreihe nicht bestimmen?


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Antwort

die Reaktionsgeschwindigkeit

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Frage

Quecksilber hat ein Standardpotential von +0,85 V und Lithium hat ein Standardpotential von -3,05 V. Welches der beiden Metalle bildet die Kathode?

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Antwort

Quecksilber bildet die Kathode, da dies das edlere Metall ist, welches Elektronen aufnimmt.

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Frage

In welchen Alltagsgegenständen kann eine galvanische Zelle aufgefunden werden?


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Antwort

Da jeder Akku und jede Batterie eine galvanische Zelle ist, können diese in Laptops, Handys, Taschenrechner und vielen mehr gefunden werden.

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Frage

Gold hat ein Standardpotential von +1,40 V und Aluminium hat ein Standardpotential von -1.66 V.

Welches der beiden Metalle übernimmt die Rolle des Oxidationsmittel?

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Antwort

Da Gold durch das Standardpotential eher zur Aufnahme von Elektronen neigt, ist dies das Oxidationsmittel.

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Frage

Warum ist Kupfer edler als Zink?

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Antwort

Kupfer ist edler als Zink, da Kupfer ein höheres Standardpotential hat und so eher dazu neigt Elektronen aufzunehmen.

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Frage

Was ist eine Elektrode?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Elektrode ist ein Leiter für elektrischen Strom. Dieser steht in einem direkten Kontakt mit einem Elektrolyten.

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Frage

Welche Elektrodenart wird am häufigsten für elektrochemische Prozesse verwendet?

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Antwort

Am häufigsten werden Metallelektroden verwendet. Dabei handelt es sich um Elektroden 1. Art oder Ionenelektroden. Hier steht das Metall in direktem Kontakt mit einer Elektrolytlösung, wodurch ein Elektronenübergang zwischen Metall und Elektrolytlösung stattfindet.

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Frage

Was ist ein Elektrodenpotential?

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Antwort

Ein elektrisches Potential, das sich zwischen einer Elektrode und einem Elektrolyten ausbildet.

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Frage

Wie wird die Auflistung der verschiedenen Standardpotentiale noch genannt?

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Antwort

Elektrochemische Spannungsreihe

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Frage

Wovon ist das Standardelektrodenpotential abhängig?

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Antwort

  • Elektrodenmaterial
  • Temperatur
  • Druck
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Frage

Was beeinflusst das Elektrodenpotential?

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Antwort

  • Standardelektrodenpotential
  • Konzentration der beteiligten Stoffe im Elektrolyten
  • Temperatur
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Frage

Was ist ein Elektrolyt?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Stoff, in dem Stromtransport durch bewegliche Ladungsträger, Ionen, erfolgt.

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Frage

Welche Formel wird für die Berechnung des Elektrodenpotentials verwendet?

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Antwort

Nernst-Gleichung

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Frage

Wie entsteht ein Elektrodenpotential?

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Antwort

Ein Elektrodenpotential entsteht durch eine elektrochemische Reaktion, bei der eine Elektrode und ein Elektrolyt in direktem Kontakt stehen. Dadurch kommt es zu einem Übergang von Elektronen.

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Frage

Was ist eine Referenzelektrode?

Antwort anzeigen

Antwort

Dabei handelt es sich um bestimmte Elektroden, die ein konstantes Gleichgewichtspotential aufweisen. Sie dienen der Bestimmung von Elektrodenpotentialen, die durch die Potentialdifferenz zweier Elektroden ermitteln werden können.

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Frage

Was ist die Elektrochemische Spannungsreihe?

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Antwort

 Die Elektrochemische Spannungsreihe ist eine Auflistung verschiedenen Standardelektrodenpotentiale von Redoxpaaren. Bekannt ist diese auch als Redoxreihe der Metalle. Die Standardwasserstoffelektrode ist hier als Nullpunkt definiert und hat eine Spannung von 0 V.

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Frage

Wie entsteht die elektrochemische Doppelschicht?

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Antwort

Die elektrochemische Doppelschicht entsteht durch eine Ladungsverschiebung an der Phasengrenze zwischen Elektrode und Elektrolyt. 

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Frage

Was ist eine Standardwasserstoffelektrode?

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Antwort

Es handelt sich um eine Art von Elektrode, bei der Wasserstoffgas verbraucht wird oder entsteht. In Bezug auf das Elektrodenpotential dient diese Elektrode als Bezugspunkt für die Ermittlung aller metallischen Standardelektrodenpotentiale.

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Frage

Was ist die Zersetzungsspannung?

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Antwort

Die Zersetzungsspannung definiert die Mindestspannung, die für die Durchführung einer Elektrolyse benötigt wird. 

Frage anzeigen

Frage

Was versteht man unter dem Begriff Standardelektrodenpotential?

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Antwort

Das Standardelektrodenpotential beschreibt die Spannung des jeweiligen Redoxpaares, die zwischen der Elektrode und der Standardwasserstoffelektrode gemessen wird. 

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