Big Bang HTL 2, Schulbuch

124 Bereich Grundlagen der Chemie (II. Jahrgang, 3. Semester) Durch die Auswahl anderer Metalle können analog zum Daniell-Element verschiedenste andere galvanische Zellen gebaut werden. Ein beliebiges Metall, das in eine Lösung seiner Kationen eintaucht wird Halbzelle genannt. Ein galvanisches Element besteht immer aus zwei solcher Halbzellen, die man mit- einander verbindet. Die beiden Metallstäbe werden dabei als Elektroden bezeichnet. Jene Elektrode, an der die Oxidation stattfindet nennt man Anode . Die Elektrode der Reduktion heißt Kathode . Die leitfähige Salzlösung, in der die Elektroden eintauchen nennt man Elektrolyt . Da an der Anode ein Elekronenüberschuss herrscht, wird dieser Pol bei galvanischen Elementen mit einem „–“ markiert. Die Kathode trägt meist eine „+“ Markierung. Damit durch die wandernden Elektronen keine Ladungsdif- ferenz zwischen den beiden Halbzellen entsteht, muss eine Möglichkeit des Ladungsausgleichs geschaffen werden. Dies erfolgt durch sogenannte Salzbrücken , eine Verbin- dung zwischen den beiden Halbzellen, durch die Ionen wan- dern können, nicht aber Elektronen. Dies kann als U-förmi- ges Glasrohr mit einem gelartigen Elektrolyten umgesetzt sein. Oder man tränkt vereinfacht Papier oder Wollfäden in Salzlösungen unbeteiligter Ionen. Als Alternative zur Salz- brücke kann bei der Konstruktion von galvanischen Zellen auch eine semipermeable (also halbdurchlässige) Membran zwischen den Halbzellen eingesetzt werden. Abb. 9.13: Allgemeiner Aufbau einer Galvanischen Zelle Abb. 9.14: Potentialunterschied treibt Elektronen nach „unten“ Warum bewegen sich nun die Elektronen vom Zink zu den Kupferionen, was treibt sie an und wie stark ist diese Kraft? Vereinfacht kann man den Elektronenfluss mit einem Was- serfall vergleichen. Im Wasserfall bewegt sich das Wasser in Richtung geringerer potentieller Energie. Ähnlich bewegen sich die Elektronen im Zink von einem Ort mit sehr hohem Potential oder innerer Energie zu einem Ort mit viel gerin- gerem Potential im Kupfer. Um diesen Potentialunterschied zu messen, benötigt man ein Voltmeter. Da das Potential also in Volt gemessen wird, bezeichnet man es häufig auch als Spannung. In einer Skizze erkennt man es an seinem Schaltzeichen, einem Kreis mit einem V. Info: Die Standard Wasserstoff Elektrode Die Standard Wasserstoff Elektrode Wir können leicht Potentialdifferenzen zwischen zwei Halb- zellen mit Hilfe eines Voltmeters messen, das absolute Po- tential einer Halbzelle ist aber nicht messbar. Man hat aus diesem Grund ein Standard-Potential festgelegt. Das bedeu- tet, dass dem absoluten Potential einer beliebigen Halbzel- le fiktiv der Wert Null zugewiesen wurde. Jede Potentialdif- ferenz zwischen dieser Halbzelle und einer zweiten gibt somit das Potential dieser zweiten Halbzelle an (weil ja die Differenz zu 0 gemessen wurde). E° Zelle = E° Kathode – E° Anode E° Zelle = 0 – E° Anode E° Zelle = E° Kathode – 0 Als diesen Standard hat man den Wasserstoff gewählt. Da Wasserstoff kein festes Metall wie Kupfer oder Zink ist, sieht der Aufbau dieser Elektrode etwas anders aus (siehe Abb. 9.15). Als Elektrodenmaterial wird nicht Wasserstoff selbst, sondern Platin ver- wendet, dessen Oberfläche von Wasserstoffgas umspült wird. Zwischen den großen Atomen des Edelmetalls fin- den die kleinen Wasserstoff- moleküle Platz. Hier findet dann die Elektrodenreaktion statt: H 2 2H + + 2e – Ist das Metall der 2. Elektrode edel, steht also unter dem Wasserstoff in der Spannungsreihe, dann reagiert die H 2 - Elektrode als Anode. H 2 wird also oxidiert und das gemesse- ne Potential erhält ein positives Vorzeichen. Steht das zwei- te Metall über dem Wasserstoff, ist also unedler, kommt es zur Reduktion des H + und das Potential ist negativ. Die so ermittelten Standardpotentiale aller möglichen Halb- zellen sind in der Spannungsreihe (siehe Tab. 9.1) ange- geben die nach steigendem Potential geordnet wurde. Des- halb stehen die unedelsten Metalle mit dem negativsten Potential ganz oben. i Abb. 9.15: Standardwasserstoff­ elektrode Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv