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Chemie

Elektrochemische Zellen und die Spannungsreihe

Steckbrief

Bei Redoxreaktionen werden Elektronen von einem Stoff (dem Reduktionsmittel) auf einen anderen Stoff (das Oxidationsmittel) übertragen. Wie gut ein Stoff reduziert bzw. oxidiert werden kann, wird durch das Redoxpotenzial angegeben.

Verbindet man zwei Halbzellen zu einem galvanischen Element, kann man erkennen, welche Halbzelle (und somit welches Metall) das stärkere Redoxpotenzial hat. Als Halbzelle bezeichnet man eine Elektrode aus Metall und einen Elektrolyten, der meistens die zugehörige Metallsalzlösung ist. Die Kupferhalbzelle z.B. besteht also aus Kupfer und einer Kupfersulfatlösung.

Um die Redoxpotenziale verschiedener Stoffe vergleichen zu können, wurden Standardbedingungen definiert, unter denen das sogenannte Standardpotenzial von Halbzellen gemessen wird. Zur Bestimmung des Standardpotenzials misst man die elektrische Spannung zwischen der Halbzelle des Redoxpaares und der Wasserstoffhalbzelle.

Die Standardpotenziale der Metalle werden in der elektrochemischen Spannungsreihe aufgelistet.

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Daniell-Element

Das Daniell-Element ist ein galvanisches Element aus einer Kupfer- und einer Zinkhalbzelle. Die Zinkelektrode stellt den Minuspol, die Kupfereletrode den Pluspol dar. Die beiden Elektroden sind durch einen elektrischen Leiter verbunden, an den ein Voltmeter angeschlossen ist. Der Stoffausgleich wird durch ein Diaphragma gewährleistet.

(Quelle: Boeck, Kurzlehrbuch Chemie, Thieme, 2018)
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    Quantitative Beschreibung von Redoxvorgängen

    Einige Metalle bzw. deren Kationen eignen sich hervorragend dazu, Redoxreaktionen sichtbar zu machen. Taucht man beispielsweise eine Zink-Elektrode in eine Kupfersulfatlösung (= Elektrolyt) ein, lagert sich elementares Kupfer an der Zinkelektrode ab: Das Zink der Elektrode dient als Reduktionsmittel. Es wird selbst oxidiert, die Zinkatome gehen als Zn2+-Ionen in Lösung. Die Cu2+-Ionen der Lösung sind das Oxidationsmittel und werden zu Kupferatomen reduziert.

    Verkupfern eines Eisennagels

    In diesem Video wird der oben beschriebene Versuch gezeigt. Statt eines Zinkstabs wird im Video ein Eisennagel verwendet. Man erkennt, dass sich Cu2+-Ionen aus der Lösung als Feststoff am Eisennagel ablagern.(Ulrich Schütz, YouTube, youtube.com/watch?v=IH6-N_g5XM4)

    Bei einer solchen Redoxreaktion werden Elektronen vom Reduktionsmittel (Zink) auf das Oxidationsmittel (Cu-Ionen) übertragen. Diese chemische Energie kann in elektrische Energie umgewandelt werden. Um Redoxreaktionen als Stromquelle nutzen zu können, ist allerdings ein spezieller Aufbau nötig.

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      zuletzt bearbeitet: 31.05.2023
      Fachlicher Beirat: Dr. rer. nat. Gisela Boeck, 13.07.2022
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