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Standard-Wasserstoff-Halbzelle

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Standard-Wasserstoff-Halbzelle

Die Standard-Wasserstoff-Halbzelle ist eine Vorrichtung, bei der an einer Elektrode elementarer Wasserstoff H2 erzeugt oder verbraucht wird. Dieses Prinzip benutzt man, als Bezugselektrode für andere Elektroden, um deren Potentiale bestimmen zu können.

Da Standardelektrodenkpotentiale als Differenz des Potentials der zu testenden Halbzelle gegenüber der Standard-Wasserstoff-Halbzelle definiert sind, hat letztere eine erhebliche Bedeutung für die physikalische Chemie.

Standard-Wasserstoff-Halbzelle: Aufbau und Verwendung

Die Standard-Wasserstoff-Halbzelle ist so aufgebaut, dass eine Platinelektrode in eine 25 °C warme Säure-Lösung (Elektrolyt) mit einem pH-Wert von 0 getaucht wird. Die Konzentration der Oxonium-Ionen in der Lösung (H3O+) liegt somit bei . Zusätzlich wird die Platinelektrode mit Wasserstoff (H2) umspült, der mit einem Druck von 1,013 bar eingeleitet wird.

Da die Standard-Wasserstoff-Halbzelle als Bezugspunkt zur Bestimmung anderer Elektrodenkpotentiale verwendet wird, definiert man ihr Potential E0 als 0. Es handelt sich hierbei um eine willkürliche Definition. Der Einsatz einer Bezugselektrode ist jedoch notwendig, da sich Elektrodenkpotentiale nicht direkt messen lassen. Ein angeschlossenes Voltmeter kann lediglich die Spannungsdifferenz zweier verbundener Halbzellen messen.

Das Standardpotential einer beliebigen Halbzelle kannst Du also in Verbindung mit der Standard-Wasserstoff-Halbzelle ermitteln. Hier siehst Du eine Zink-Wasserstoff-Zelle als Beispiel:

Wichtig für die Bestimmung des Standardelektrokernpotentials ist, dass beide Elektrolytlösungen in der gleichen Stoffmenge vorliegen. Die Zink- und Oxonium-Ionen haben hier Konzentrationen von je .

In der Elektrochemie spricht man meist von der Aktivität a anstelle der Stoffmenge.

Die beiden Halbzellen sind über eine Salzbrücke verbunden, über die die Ionen wandern können. Alternativ zu einer Salzbrücke kann auch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran zwischen den Zellen eingesetzt werden. Die beiden Elektroden verbindet außerdem ein Voltmeter, mit dem die elektrische Spannung gemessen werden kann.

Standard-Wasserstoff-Halbzelle: Reaktionsgleichung

An einer Standard-Wasserstoff-Halbzelle findet die folgende Reaktion statt, die Du in der Reaktionsgleichung erkennen kannst:

Standard-Wasserstoff-Halbzelle Wasserstoff Reaktion StudySmarter

Dabei stellt sich dann in der Halbzelle ein Gleichgewicht ein. Damit sich dieses Gleichgewicht schnell genug einstellen kann, dient die Platinelektrode als Katalysator dieser Reaktion. Da Platin ein edles Metall ist, korrodiert es nicht in der Lösung.

Eine Halbzelle, beziehungsweise das Redoxsystem, welches an die Standard-Wasserstoff-Halbzelle Elektronen abgibt, besitzt immer ein Standardpotential mit einem negativen Vorzeichen. Somit ist dieses Redoxsystem hier das Reduktionsmittel. Bei einem Redoxsystem, das Elektronen von der Standard-Wasserstoff-Halbzelle annimmt, misst man ein positives Standardpotential. Es handelt sich bei dem Halbzellenmaterial als um ein Oxidationsmittel.

Grundsätzlich gilt, je positiver das Standardpotential, desto edler das Elektrodenmetall.

Das kannst Du auch im folgenden Bild an dem Beispiel erkennen:

Kupfer hat ein Standardpotential von . Das Standardpotential ist also positiv und damit gilt Kupfer als ein edles Metall. Bei Zink wiederum ist das Standardpotential und hat damit negativ. Das bedeutet, dass Zink ein unedles Metall ist.

Reduktion (Oxidationsmittel):

Standard-Wasserstoff-Halbzelle Reduktion Jod StudySmarter

Das zugehörige Standardpotential für Jod ist hier:

Das Gegenbeispiel dazu ist:

Oxidation (Reduktionsmittel):

Standard-Wasserstoff-Halbzelle Oxidation Jod StudySmarter

In diesem Fall wäre das Standardpotential:

Standardpotential Tabelle

Die Standardpotentiale von Redoxsystemen verändern sich unter Standardbedingungen nicht. Deswegen kann man die verschiedenen Redoxpotentiale in einer Tabelle zusammenfassen. In der Tabelle kannst Du auch sehen, welche Form oxidiert und welche Form reduziert ist.

Standard-Wasserstoff-Halbzelle: Anwendung

Bei der Handhabung der Standard-Wasserstoff-Halbzelle gilt es einiges zu beachten. Da mit hochentzündlichem Wasserstoff gearbeitet wird, muss das Halbzellengefäß dicht sein, damit das Gas nicht entweichen kann. Im Gefäß darf sich zusätzlich kein Sauerstoff befinden, da Sauerstoff das Elektrodenkpotential verfälschen kann. Bei der Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff kann es zudem zu einer Knallgasreaktion kommen.

Weiterhin können Platinelektroden leicht zu verdrecken, daher sollten sie nicht mit bloßen Händen berührt werden. Um eine hohe katalytische Aktivität zu gewährleisten, sollten Platinelektroden regelmäßig neu beschichtet werden.

Eine genaue Messung erfordert auch eine Druckkontrolle. Aus diesen Gründen werden Wasserstoffelektroden nur zur Bestimmung von Standardpotentialen genutzt.

Alternativ zur Standard-Wasserstoff-Elektrode können auch Kalomel(Quecksilberchlorid, Hg2Cl2)- und Silber-Silberchlorid-Elektroden (Ag/AgCl) verwendet werden. Hier gibt es keine gasförmigen Reaktanten, daher besteht praktisch keine Druckabhängigkeit. Somit können diese Elektroden einfacher eingesetzt werden.

Der Unterschied zur Standard-Wasserstoff-Halbzelle liegt hier darin, dass bei der Standard-Wasserstoff-Halbzelle die Bedingungen, wie die Aktivität der Protonen und der Druck von 1,013 bar, nicht eingestellt werden können. Daher gilt hier als Elektrolyt Salzsäure und Wasserstoffgas zu verwenden und das unter atmosphärischen Bedingungen. Dieses Prinzip nennt man dann Normal-Wasserstoff-Halbzelle.

Standard-Wasserstoff-Halbzelle: Zelldiagramm

Im Unterricht wirst Du bestimmt mal auf eine Aufgabe stoßen, in der von Dir verlangt wird, dass Du ein Zelldiagramm einer bestimmten Zelle formulierst.

Das Ziel des Zelldiagramms ist zu berechnen, welche Zellspannung, also welches Potential, die angegebene Zelle besitzt. Um diese auszurechen kannst Du einfach drei Schritte befolgen und die Zellspannung so ganz einfach ausrechnen:

  1. Redoxreaktion aufstellen
  2. Kathode und Anode erkennen
  3. Zellspannung mit der Nernst'schen Gleichung berechnen

1. Redoxreaktion aufstellen

Hierbei benötigst Du die beiden Elemente, aus denen die Zelle besteht.

Dafür kannst Du zunächst die beiden Halbzellen mit ihren reagierenden Bestandteilen notieren. Die Schrägstriche / stellen dar, welches Edukt zu welchem Produkt wird und der Doppel-Schrägstrich // ist das Diaphragma/Salzbrücke zwischen den beiden Halbzellen.

Beim Beispiel des Daniell-Elements würde das so aussehen:

Zn / Zn²+ // Cu²+ / Cu

Durch diese Übersicht kannst Du nun sehen, dass Zink eine positive Ladung erhält, also Elektronen abgibt und Kupfer Elektronen aufnehmen muss. So hast Du bestimmt, welcher Stoff oxidiert und welcher reduziert wird.

Durch das Anschauen der Standardpotentiale der Elemente kannst Du hier auch die Oxidation und Reduktion bestimmen.

Daraus lässt sich dann die Redoxreaktion aufstellen:

Oxidation: Standard-Wasserstoff-Halbzelle Zelldiagramm Oxidation StudySmarter

Reduktion: Standard-Wasserstoff-Halbzelle Reduktion Zelldiagramm StudySmarter

Gesamtreaktion: Standard-Wasserstoff-Halbzelle Gesamtreaktion Zelldiagramm StudySmarter

2. Kathode und Anode erkennen

Nun weißt du welcher Stoff oxidiert und welcher reduziert wird. Diese Reaktionen und die dazugehörigen Stoffe müssen nun nur noch der jeweiligen Elektrode zugewiesen werden.

Dafür kannst Du Dir ganz einfach merken, dass die Elektronen, die bei der Oxidation frei werden, nun vom Minus-Pol zum Plus-Pol, also von der Anode zur Kathode wandern.

Da die Elektronen bei der Oxidation frei werden, findet diese also an der Anode und die Reduktion an der Kathode statt.

Oxidation → Anode

Reduktion → Kathode

3. Zellspannung mit der Nernst'schen Gleichung berechnen

Für jede Halbzelle musst Du nun die Nernst-Gleichung aufstellen und dann die Potentialdifferenz bilden.

Die Nernst-Gleichung lautet:

Standard-Wasserstoff-Halbzelle Nernst-Gleichung StudySmarter

Bei der Gleichung musst Du einfach nur einsetzen. E0 ist das jeweilige Standardpotential der Halbzelle. R ist die Gaskonstante (8,31447 J mol−1 K−1) und T ist die Temperatur in Kelvin, die im Normalfall immer Zimmertemperatur (20 C°= 293,15 K) ist. F steht für die Faraday-Konstante, die 96 485,339 9 (24) C · mol−1 beträgt. Da sich diese Werte meistens nicht verändern, wurde für der Festwert 0,059 festgelegt. Dieser ändert sich nur, wenn die Temperatur von der Raumtemperatur abweicht.

Das kleine "n" steht in der Gleichung einfach für die Anzahl an gewanderten Elektronen während der Reaktion.

Bei c(Ox) musst Du nur die Konzentration des Stoffes in der Oxidation angeben und umgekehrt bei c(Red), wo Du die Konzentration des reduzierten Stoffes einsetzen musst.

Bei Beispielen mit Metallen als Reaktanden gilt:

Die Konzentrationen der Metalle werden als 1 gesetzt, da eine Konzentration eines Feststoffes ja sinnlos wäre.

Wenn Du nun die Ergebnisse der Nernst'schen Gleichungen hast, kannst Du den Wert der Kathode einfach vom Wert der Anode subtrahieren und schon hast Du die Zellspannung Deiner Zelle.

EAnode-EKathode= Zellpotential

Ein Beispiel für solch eine Aufgabe wäre:

Formuliere das Zelldiagramm für eine Zink-Blei-Zelle mit den Konzentrationen:

c(Zn2+) = c(Pb2+) = 1

1. Redoxgleichung

Standard-Wasserstoff-Halbzelle Zelldiagramm StudySmarter

2. Anode und Kathode erkennen

Anode = Zink (Zn)

Kathode = Blei (Pb)

3. Nernst-Gleichung anwenden

Standard-Wasserstoff-Halbzelle Zelldiagramm Beispiel StudySmarter

Ausrechnen der Zellspannung:

Standard-Wasserstoff-Halbzelle Zelldiagramm Beispiel StudySmarter

Standard-Wasserstoff-Halbzelle - Das Wichtigste

  • ist der Nullpunkt der Standardpotentiale, also die Bezugselektrode
  • besteht aus Platinelektrode, Säure-Lösung, -Einstrom und Voltmeter
  • Reaktionsgleichung: Standard-Wasserstoff-Halbzelle Reaktion Wasserstoff StudySmarter
  • Redoxsysteme, die Elektronen abgeben, sind unedel, Reduktionsmittel und dessen Standardpotential hat ein negatives Vorzeichen
  • Redoxsysteme, die Elektronen aufnehmen, sind edel, Oxidationsmittel und das Standardpotential hat ein positives Vorzeichen
  • Handhabung einer Standard-Wasserstoff-Halbzelle gestaltet sich schwierig durch Gefahr einer Knallgasreaktion und der leicht zu verschmutzenden Platinelektrode

Häufig gestellte Fragen zum Thema Standard-Wasserstoff-Halbzelle

Eine Wasserstoff-Halbzelle ist eine Vorrichtung, bei der an einer Elektrode elementarer Wasserstoff erzeugt oder verbraucht wird. Dieses Prinzip benutzt man als Bezugselektrode für andere Elektroden, um deren Elektrodenpotentiale bestimmen zu können.

Eine Standard-Wasserstoff-Halbzelle besteht aus einer Platinelektrode, die in eine Säurelösung getaucht wird. Zusätzlich wird Wasserstoff mit einem Druck von 1,013 bar an der Elektrode eingeleitet.

Die Normal-Wasserstoff-Elektrode unterscheidet sich in Aufbau und Funktion nicht von der Standard-Wasserstoff-Elektrode. Erstere arbeitet lediglich mit der Wasserstoff-Ionenkonzentration, nicht mit der Oxonium-Ionenkonzentration.

Das Standardpotential der zu messenden Elektrode wird in Bezug auf die Standard-Wasserstoff-Halbzelle mit einem Voltmeter gemessen.

Finales Standard-Wasserstoff-Halbzelle 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

Welche Reaktion findet bei der Standard-Wasserstoff-Halbzelle statt?


Antwort anzeigen

Antwort


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.

Frage anzeigen

Frage

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


Antwort anzeigen

Antwort

Das Metall ist in diesem Fall edel.

Frage anzeigen

Frage

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


Antwort anzeigen

Antwort

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

Frage anzeigen

Frage

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

Antwort anzeigen

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.

Frage anzeigen

Frage

Welches der folgenden Metalle ist das edelste anhand seines Standardpotentials?


Antwort anzeigen

Antwort

Gold (Au)

Frage anzeigen

Frage

Welche Alternative zur Salzbrücke gibt es zum Austausch von Elektrolyten ?


Antwort anzeigen

Antwort

Als Alternative zur Salzbrücke empfiehlt sich beispielsweise eine semipermeable Membran

Frage anzeigen

Frage

In welcher Einheit wird das Standardpotential angegeben?


Antwort anzeigen

Antwort

Das Standardpotential wird in Volt (V) angegeben

Frage anzeigen

Frage

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


Antwort anzeigen

Antwort

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

Frage anzeigen

Frage

Welcher Bestandteil der Standard-Wasserstoff-Halbzelle stimmt nicht?


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Antwort

pH=7

Frage anzeigen

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

Frage anzeigen

Frage

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

Antwort anzeigen

Antwort

Die Spannung wird mit einem Voltmeter gemessen

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