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Die Naturwissenschaften haben untereinander viele Verbindungspunkte. Beispielsweise lässt sich Strom nicht nur in der Physik messen. Die Leitung des elektrischen Stroms kann nämlich durch verschiedene Ladungsträger und nach verschiedenen Mechanismen erfolgen.
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Team Elektrodenpotential Lehrer
Es lässt sich eine Unterscheidung in drei Arten von elektrischen Leitungen treffen:
Steht ein elektrischer Leiter in Kontakt mit einer Elektrolytlösung, so bildet sich an diesem ein Potential aus, ein sogenanntes Elektrodenpotential.
Das Elektrodenpotential ist Teil der elektrochemischen Spannungsreihe in der Chemie. Für die Ausbildung eines Elektrodenpotentials sind sogenannte Elektroden notwendig, die einen elektrischen Strom leiten können.
Eine Elektrode ist ein elektrischer Leiter und steht im direkten Kontakt mit einem Elektrolyten. Hier erfolgt ein Übergang von Ladungsträgern, wie Ionen oder Elektronen, zwischen einer festen Phase und einem Elektrolyten.
Am häufigsten werden Metallelektroden für die elektrochemischen Prozesse verwendet. Dieses Metall steht im Kontakt mit einem Elektrolyten, in dem ein Salz gelöst ist. Die Salze sind meist leicht löslich, da sich dadurch mehr Ionen bilden, die sich frei in der Elektrolytlösung bewegen können. Die Konzentration der Ionen steigt entsprechend. Oftmals ist es sogar der Fall, dass diese Salze vollständig dissoziieren, sodass ausreichend Ionen vorhanden sind.
Kationen aus der Elektrolytlösung sind meist die einzigen, die in der Lage sind, die Membran zu passieren. Sie wandern dann zu der jeweiligen Elektrode, die negativ geladen ist und sorgen auf diese Weise für einen Ladungsausgleich an dieser Elektrode. So kann die Reaktion auch weiterhin stattfinden.
Derartige Elektroden werden auch als Elektroden erster Art bezeichnet. Teilweise kommt auch die Bezeichnung als Ionenelektrode vor. Sie sind abhängig von der Konzentration des Elektrolyten, da zwischen den Ionenelektroden und der Elektrolytlösung eine Wechselwirkung besteht.
Der Begriff Elektrodenpotential ist ein Bestandteil der elektrochemischen Spannungsreihe. Es handelt sich um das elektrische Potential, das sich zwischen einer Elektrode und dem Elektrolyten ausbildet.
Elektrolyte sind Stoffe, in denen sich die beweglichen Ionen für den Stromtransport befinden.
Der Bereich zwischen Elektrode und Elektrolyt wird als Phasengrenze beschrieben, an der die elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Für die Messung eines Elektrodenpotentials sind zwei Elektroden nötig, denn für eine einzelne Elektrode lässt sich das Potential nicht elektrochemisch bestimmen. Das liegt daran, dass mit einer einzigen Elektrode kein Strom fließen kann.
Zum Bestimmen der Spannung wird eine Referenzelektode verwendet. Die zu bestimmende Elektrode wird damit mit der Referenzelektrode verbunden. Für die elektrochemische Spannungsreihe zählt dann die Differenz zur Referenz.
Als Referenz wird meist die Standard-Wasserstoffelektrode verwendet, deren elektrochemisches Potential mit 0V festgelegt worden ist.
Diese Referenzelektrode ist konzentrationsunabhängig und weist ein konstantes Potential auf. Dadurch ist eine Vergleichsmessung möglich.
Referenzelektroden werden entsprechend synonym auch als Bezugselektroden oder Vergleichselektrode bezeichnet. Dabei handelt es sich um bestimmte Elektroden, die ein konstantes Gleichgewichtspotential aufweisen. Ein konkretes elektrochemisches Potential kann nicht bestimmt werden, da dieses immer abhängig von der Partnerelektrode ist.
Die in der Spannungsreihe gegebenen Werte beziehen sich auf die Spannung im Vergleich zur Standard-Wasserstoffelektrode.
Elektrochemische Prozesse sind die Voraussetzung für die Entstehung eines elektrischen Potentials an jeglicher Art von Elektrode. Dabei handelt es sich um spezielle Redoxreaktionen. Hier werden Reduktions- und Oxidationsvorgänge kombiniert. Somit findet ein Übergang von Elektronen statt.
Als Redoxreaktion bezeichnet man eine chemische Reaktion mit Elektronenübergang. Dabei wird ein Partner reduziert, das heißt, ihm werden Elektronen zugefügt, während dem anderen Partner Elektronen entzogen werden, er wird also oxidiert.
Solche Redoxreaktionen lassen sich anhand der Oxidationszahlen bestimmen. Diese geben die formale Ladung in Vergleich zur Elementarladung dieses Atoms an. Verändern sich diese bei einer Reaktion, handelt es sich um eine Redoxreaktion.
Bei elektrochemischen Doppelschichten musst Du Dir beide Elektroden genauer anschauen. Zwar entsteht in beiden Fällen eine Doppelschicht, allerdings ist die Position der Ladungen genau umgekehrt. Welches Metall in diesem Fall oxidiert und welches reduziert wird, hängt von der elektrochemischen Spannungsreihe ab, die angibt, ob ein Metall edel oder unedel ist.
Allgemein wirken auf ein Metall, das sich in einer Lösung befindet, ein Lösungs- sowie ein Abscheidungsdruck. Der Lösungsdruck sorgt dabei dafür, dass sich Metallkationen bilden, während der Abscheidungsdruck für eine Reduktion dieser Kationen sorgt. Zu Beginn ist der Lösungsdruck an beiden Elektronen größer. Sie geben Elektronen ab, die in der Elektrode bleiben, während die Kationen in Lösung gehen.
Für eine genauere Betrachtung beginnst Du nun bei der Elektrode, die die Elektronen aufnimmt. Es handelt sich hierbei um das edlere Metall. Die Elektronen werden von den Metallkationen aufgenommen. Das elementare Metall lagert sich an der Elektrode ab, wodurch diese auch positiver wird. In der Lösung hingegen werden die negativ geladenen Anionen angezogen, die sich dann an der Kathode anlagern. Es entsteht eine Doppelschicht.
In der Elektrode mit dem unedleren Metall hingegen ist der Lösungsdruck dauerhaft größer. Das ist ein Anzeichen dafür, dass das Metall immer weiter oxidiert wird. Die Kationen gehen in die Lösung über, während die Elektronen erst einmal zurückbleiben. Erst durch Verbinden der beiden Elektroden wandern die Elektronen. Für den Moment wird die Elektrode dadurch aber negativer, weshalb die positiv geladenen Kationen in der Lösung angezogen werden und sich um die Elektrode lagern. Auch hier entsteht eine Doppelschicht, die aber genau umgekehrt ist.
Die Abbildung zeigt Dir die Doppelschicht, wie Du sie an der Elektrode mit dem unedleren Metall finden würdest.
Abbildung 1: Aufbau der elektrochemischen Doppelschicht
Hier ist konkret die Ausbildung der elektrochemischen Doppelschicht an einer Zinkelektrode gezeigt. Dazu wird ein Zinkblech in eine ZnSO4-Lösung getaucht. Durch die Oxidation der Zinkelektrode werden Zn2+-Ionen an der Oberfläche des Metalls gebildet.
Die Ionen gehen durch die Phasengrenzen in die wässrige Elektrolytlösung über und die Elektronen verbleiben im Metall. Durch die Anziehung zwischen Elektronen und den hydratisierten Kationen bildet sich die elektrochemische Doppelschicht aus. Auf der positiven Seite stehen die positiv geladenen Zn2+-Ionen, während auf der anderen Seite sich die Ionen befinden. Durch die unterschiedlichen Ladungen, im Metall und im Elektrolyten, entsteht die Potentialdifferenz E, die als Elektrodenpotential bezeichnet wird.
Für elektrochemische Prozesse sind verschiedene Potentiale und Elektroden von besonderer Bedeutung. Hierbei stellt sich die Frage: Was genau ist ein Standardelektrodenpotential und wie kann es bestimmt werden? Hierfür wird eine Bezugselektrode benötigt: die Standardwasserstoffelektrode.
Das Standardelektrodenpotential E0 wird auch als Normalpotential oder Redoxpotential bezeichnet und beschreibt eine thermodynamische Größe elektrochemischer Prozesse. Die Einheit dieser Größe ist Volt (V).
Volt ist die Maßeinheit für die elektrische Spannung und wird mit dem Einheitenzeichen V abgekürzt.
Dieses Standardelektrodenpotential hängt neben dem Elektrodenmaterial auch von der gegebenen Temperatur und dem Druck ab. Gemessen wird das Normalpotential unter den sogenannten Standardbedingungen. Diese Bedingungen ermöglichen neben der einfachen Bestimmung des Standardelektrodenpotentials auch einen Vergleich.
Für elektrochemische Prozesse gelten die sogenannten SATP-Bedingungen (Standard Ambient Temperature and Pressure). Für die Temperatur T wurde dabei ein Wert von 298,15 K (25 °C) festgelegt. Der Druck p beträgt 101.325 Pa (101,3 kPa).
Die Standardwasserstoffelektrode wird in der physikalischen Chemie als Bezugselektrode verwendet, um so ein genau definiertes Potential zu ermitteln. Besonders für die elektrochemische Spannungsreihe wird diese Elektrode als Bezugspunkt verwendet.
Definiert wird die Standardwasserstoffelektrode als Nullpunkt der Potentialskala und eignet sich daher zur Bestimmung von Standardpotentialen anderer Elektroden. Allgemein handelt es sich bei dieser Art um eine Elektrode, bei der Wasserstoff (H2) verbraucht wird oder entsteht.
Abbildung 2: Aufbau der Standardwasserstoffelektrode
In der Abbildung siehst Du den Aufbau einer Standard-Wasserstoffelektrode. Als Elektrode wurde eine platinierte Platin-Platte verwendet, die selbst aber nur als Oberfläche der Reaktion dient. Bei einem Druck von 1013 hPa wird Wasserstoff in Form von H2 in die Elektrolytlösung gegeben.
Die Reaktion, die an dieser Elektrode stattfindet, ist davon abhängig, welche weitere Elektrode angeschlossen ist. Wird beispielsweise ein unedleres Metall angeschlossen, das Elektronen abgibt, dann nimmt Wasserstoff diese auf. Dies kann mit folgender Reaktionsgleichung beschrieben werden:
Ist jedoch ein edlerer Stoff angeschlossen, der selbst die Elektroden aufnimmt, dann gibt Wasserstoff diese entsprechend ab. Dafür gilt diese Reaktionsgleichung:
Platin dient in diesem Moment nur als Mittel zum Zweck, damit die abgegebenen Elektronen aufgenommen werden können und dann weitergeleitet werden. Diese Weiterleitung ist dann das, was Du als Spannung mithilfe eines Messgerätes wahrnimmst.
Neben dem Elektrodenpotential gibt es in der Elektrochemie noch einen weiteren wichtigen Begriff. Die sogenannte Zersetzungsspannung definiert die Mindestspannung, die für die Durchführung einer Elektrolyse benötigt wird. Diese Spannung ist durch die Potentiale an den Redoxpaaren der Kathode und Anode definiert.
Bei einer Elektrolyse handelt es sich um eine Spaltung von Molekülen, indem eine Spannung angelegt wird. Mit Bezug auf die Zersetzungsspannung wird bei einer Elektrolyse ein Molekül in seine Ionen zersetzt.
Elektrochemische Prozesse sind Redoxreaktionen, bei denen ein Elektronenübergang stattfindet. Durch den Kontakt zwischen einer Metallelektrode und einer Elektrolytlösung bildet sich eine Phasengrenze, die sogenannte elektrochemische Doppelschicht. Durch diese Doppelschicht entsteht eine Potentialdifferenz.
Das Elektrodenpotential entspricht der Spannungsdifferenz, die an der elektrochemischen Doppelschicht entsteht. Für die quantitative Bestimmung des Elektrodenpotentials wird die Nernst'sche Gleichung verwendet.
Berechnung des Standardelektrodenpotentials einer Standardwasserstoffzelle:
Gegeben sind die folgenden Werte:
Berechnung des Standardpotentials E0 anhand der Nernst-Gleichung:
Die Standardwasserstoffelektrode wurden entwickelt, da die Elektrodenpotentiale für jedes Metall spezifisch sind. Diese elektrochemische Zelle stellt die Referenzelektrode dar, die manuell mit einem Potential von 0 V definiert worden ist. Sie dient daher als Vergleichselektrode, um andere Elektrodenpotentiale in elektrochemischen Zellen zu bestimmen. Mit Hilfe dieser Elektrode wurde die elektrochemische Spannungsreihe aufgestellt.
Die verschiedenen Metallelektroden wurden gegen diese Elektrode gemessen, um die Standardelektrodenpotentiale zu ermitteln. Dadurch kann außerdem eine Unterteilung in edle und unedle Metalle vorgenommen werden.
Im Folgenden findest Du eine Übersicht verschiedener Standardelektrodenpotentiale E0 der elektrochemischen Spannungsreihe. Bekannt ist diese Liste auch unter dem Namen Redoxreihe der Metalle.
| Redoxpaar | E0 in V |
| Li / Li+ | - 3,04 |
| K / K+ | - 2,92 |
| Ca / Ca2+ | - 2,87 |
| Fe / Fe2+ | - 0,41 |
| Pb / Pb2+ | - 0,13 |
| H2 / 2 H+ | 0,00 |
| Cu / Cu2+ | + 0,34 |
| Ag / Ag+ | + 0,80 |
| Au / Au3+ | + 1,50 |
| 2F- / F2 | + 2,87 |
Anhand des Standardpotentials ist es möglich, eine Einteilung in unedle und edle Metalle vorzunehmen. Unedle Metalle lassen sich leicht oxidieren und weisen deshalb ein negatives Standardelektrodenpotential auf. Edle Metalle hingegen lassen sich schwer oxidieren, was Du daran erkennst, dass sie ein positives Standardpotential besitzen. Der Zusammenhang zwischen einem unedlen und edlen Metall ist, dass die unedleren Metalle durch die edlen Metall-Ionen oxidiert werden.
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Wie entsteht ein Elektrodenpotential?
Ein Elektrodenpotential entsteht durch eine elektrochemische Reaktion, bei der eine Elektrode und ein Eletrolyt in direktem Kontakt stehen. Dadurch kommt es zu einem Übergang von Elektronen.
Was bedeutet Standardelektrodenpotential?
Das Standardelektrodenpotential ist die elektrische Spannung, die sich unter Normalbedingungen zwischen einer Bezugselektrode und einer Elektrode eines beliebigen Redoxpaares messen lässt.
Was sagen Standardpotentiale aus?
Standardpotentiale beschreiben die Fähigkeit von elektrischen Leitern unter Normalbedingungen Elektronen abzugeben und so in eine wässrige Lösung überzugehen.
Was ist die Zersetzungsspannung?
Die Zersetzungsspannung definiert die Mindestspannung, die für die Durchführung einer Elektrolyse benötigt wird.
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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