E°Zelle > 0
Die betrachtete Reaktionsrichtung ist unter Standardbedingungen thermodynamisch begünstigt. Sie kann in einer geeigneten galvanischen Zelle elektrische Energie liefern.
Chemie · Klasse 11–13 · Oberstufe
Standardpotenziale und Zellspannung
Warum liefert ein Zink-Kupfer-Element etwa 1,10 Volt? Lerne, die Spannungsreihe zu lesen, Anode und Kathode zu bestimmen und die Zellspannung ohne Vorzeichenfehler zu berechnen.
E°Zelle = E°Kathode − E°Anode
Größeres Reduktionspotenzial:
Reduktion an der Kathode.
Beide Werte werden als Reduktionspotenziale eingesetzt.
Ein Potenzial ist ein Vergleichswert
Eine Halbzelle besteht zum Beispiel aus einem Metall in einer Lösung seiner Ionen. Ein Elektrodenpotenzial beschreibt ihre elektrische Potenziallage gegenüber einer festgelegten Referenz. Eine einzelne Halbzelle besitzt keine für sich allein messbare „absolute Spannung“: Messbar ist eine Potenzialdifferenz zwischen zwei Elektroden.
Als Bezug dient die Standard-Wasserstoffelektrode. Ihr Standardpotenzial wird auf 0,00 V festgelegt. Andere Halbzellen werden mit ihr verglichen.
2 H⁺ + 2 e⁻ ⇌ H₂
Die Wasserstoffelektrode verwendet eine geeignete Platinelektrode, Wasserstoffgas und eine saure Lösung. Die 0,00 V bedeuten nicht „keine Elektronen“ oder „keine Reaktion“, sondern einen vereinbarten Nullpunkt.
Lernziel: Du kannst aus zwei tabellierten Reduktionspotenzialen die Reaktionsrichtung und die Standardzellspannung bestimmen. Wiederhole bei Bedarf zuerst galvanische Zellen.
Was bedeutet das kleine °?
Das Zeichen ° kennzeichnet Standardzustände: Gelöste Stoffe besitzen Aktivität 1, Gase den Standarddruck 1 bar; reine Feststoffe und Flüssigkeiten werden mit Aktivität 1 angesetzt. Im Schulmodell wird für gelöste Stoffe häufig näherungsweise c = 1 mol/L verwendet.
Die Aktivität ist eine Art wirksame Konzentration, die Wechselwirkungen berücksichtigt. Du musst sie für die folgenden Aufgaben nicht berechnen. Alle hier verwendeten Werte gelten bei 25 °C und sind gerundet. Die Temperatur muss angegeben werden; „Standardzustand“ legt nicht von selbst immer 25 °C fest.
Die Spannungsreihe richtig lesen
Die Tabelle schreibt jede Teilreaktion als Reduktion: Die Elektronen stehen links. Je positiver E° ist, desto eher nimmt die oxidierte Form im Vergleich zu einem Paar mit kleinerem Potenzial Elektronen auf.
| Reduktionsgleichung | E° |
|---|---|
| Zn²⁺ + 2 e⁻ → Zn | −0,76 V |
| Fe²⁺ + 2 e⁻ → Fe | −0,44 V |
| 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂ | 0,00 V |
| Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu | +0,34 V |
| Ag⁺ + e⁻ → Ag | +0,80 V |
Beispiel: Cu²⁺/Cu liegt höher als Zn²⁺/Zn. Kombiniert man die Halbzellen im galvanischen Betrieb unter Standardbedingungen, wird Cu²⁺ reduziert und Zn oxidiert. Cu²⁺ ist das Oxidationsmittel; Zn ist das Reduktionsmittel. Unterscheide stets Ion und Metall.
Ein negatives Standardpotenzial bedeutet nicht automatisch „Minuspol“. Eisen ist gegenüber Kupfer die Anode, gegenüber Zink aber die Kathode. Entscheidend ist der Vergleich der beiden Werte.
Daniell-Element: in vier Schritten zur Zellspannung
1 · Beide Tabellenwerte aufschreiben
E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V
E°(Zn²⁺/Zn) = −0,76 V
2 · Die größere Zahl gehört zur Kathode
+0,34 V ist größer als −0,76 V. Also wird Cu²⁺ reduziert. Zink wird oxidiert.
Kathode: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu
Anode: Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻
3 · Kathode minus Anode rechnen
E°Zelle = +0,34 V − (−0,76 V)
E°Zelle = +1,10 V
Minus einer negativen Zahl wird plus. Setze negative Werte deshalb in Klammern.
4 · Ergebnis mit der Reaktion verbinden
Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
Die positive Zellspannung zeigt: Diese Reaktionsrichtung ist unter Standardbedingungen thermodynamisch begünstigt. Die Elektronen fließen außen von der Zinkanode zur Kupferkathode.
Dein Halbzellen-Labor
Wähle zwei Metall-Halbzellen. Bestimme zuerst selbst die Kathode. Vergleiche dann die Rollen, den Elektronenweg und die Rechnung.
Linke Halbzelle
Rechte Halbzelle
Links: Zink · Anode −
Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻
Rechts: Kupfer · Kathode +
Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu
E°Zelle = +0,34 V − (−0,76 V) = +1,10 V
Idealisiertes Daniell-Element bei Standardbedingungen: 1,10 V.
Das Modell ordnet die Reaktionsrichtung thermodynamisch zu. Es berechnet die Standardzellspannung ohne Belastung, keine reale Stromstärke. Passivierung, Nebenreaktionen und Reaktionsgeschwindigkeit werden nicht simuliert.
Kupfer und Silber: Gleichungen ausgleichen, Potenziale nicht
Silberionen nehmen jeweils ein Elektron auf. Kupfer gibt bei der Oxidation zwei ab. Damit die Elektronenbilanz stimmt, verdoppelst du die Silber-Teilgleichung:
Anode: Cu → Cu²⁺ + 2 e⁻
Kathode: 2 Ag⁺ + 2 e⁻ → 2 Ag
Gesamt: Cu + 2 Ag⁺ → Cu²⁺ + 2 Ag
E°Zelle = +0,80 V − (+0,34 V) = +0,46 V
E° wird nicht mit 2 multipliziert! Ein Potenzial beschreibt Energie pro Ladung. Eine verdoppelte Reaktionsmenge verdoppelt Energie und Ladung zugleich – das Verhältnis bleibt gleich. Die Standardzellspannung bleibt 0,46 V.
Was sagen Plus, Minus und null aus?
E°Zelle < 0
Die so aufgeschriebene Richtung ist unter Standardbedingungen nicht freiwillig. Die Gegenrichtung ist begünstigt. Für die erzwungene Richtung braucht man Energiezufuhr.
E°Zelle = 0: Unter Standardbedingungen fehlt die thermodynamische Triebkraft dieser Zellreaktion. Zwei identische Halbzellen liefern bei identischen Bedingungen keine Zellspannung. Unterschiedliche Konzentrationen können dagegen auch bei demselben Redoxpaar eine Spannung erzeugen.
Für die umgekehrte Daniell-Reaktion Cu + Zn²⁺ → Cu²⁺ + Zn ergibt sich −1,10 V. Das ist kein Rechenfehler, sondern beschreibt die ungünstige Richtung. Eine positive Spannung verrät nicht, wie schnell eine Reaktion tatsächlich abläuft.
Vertiefung: Verbindung zur freien Enthalpie
ΔG° = −z · F · E°Zelle
z ist hier die Anzahl übertragener Elektronen pro Reaktionsumsatz gemäß Gesamtgleichung. F ist die Faraday-Konstante. Ist E°Zelle positiv, ist ΔG° negativ. Wird die gesamte Reaktionsgleichung verdoppelt, verdoppeln sich z und ΔG°, die Spannung bleibt gleich.
Warum du im Versuch andere Spannungen messen kannst
Die berechnete Standardzellspannung ist ein Vergleichswert. Veränderte Konzentrationen beziehungsweise Aktivitäten, Gasdrücke und Temperaturen können die Gleichgewichtsspannung verändern. Diese Abhängigkeit beschreibt die Nernst-Gleichung.
Wird die Zelle belastet und fließt Strom, können außerdem Innenwiderstand und Elektrodenprozesse die gemessene Klemmenspannung verringern. Aus E° allein kannst du daher weder die Stromstärke noch die Laufzeit einer Batterie bestimmen.
Bei einer Elektrolyse muss die angelegte Spannung die entgegenwirkende Gleichgewichtsspannung überwinden. Für einen merklichen Strom sind in der Praxis zusätzlich Überspannungen und ohmsche Verluste zu berücksichtigen. Man darf eine tabellierte Spannung deshalb nicht als universell exakten Einschaltpunkt verstehen.
Selbstcheck: Vom Tabellenwert zur Begründung
Zn²⁺/Zn und Fe²⁺/Fe: Welche Halbzelle ist die Kathode?
Wähle eine Antwort.
Rechne mit den gerundeten Tabellenwerten dieser Seite.
1 · Zn und Cu: Anode, Kathode und Spannung?
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Kathode hat das größere Reduktionspotenzial.
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Anode: Zn; Kathode: Cu. E° = 0,34 − (−0,76) = 1,10 V. Elektronen fließen außen von Zn zu Cu.
2 · Fe und Cu: Wie groß ist E°Zelle?
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E°(Fe²⁺/Fe) = −0,44 V.
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Kupfer ist die Kathode, Eisen die Anode. E° = 0,34 − (−0,44) = 0,78 V. Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu.
3 · Zn und Ag: Stelle auch die Gesamtgleichung auf.
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Zink liefert zwei Elektronen; ein Ag⁺ nimmt eines auf.
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Zn + 2 Ag⁺ → Zn²⁺ + 2 Ag. E° = 0,80 − (−0,76) = 1,56 V. Der Silberwert wird nicht verdoppelt.
4 · Cu und Ag: „2 · 0,80 − 0,34 = 1,26 V“ – richtig?
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Potenziale sind keine Stoffmengen.
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Nein. Nur die Silber-Teilgleichung wird verdoppelt. E° = 0,80 − 0,34 = 0,46 V.
5 · Kann Fe bei negativem E° der Pluspol sein?
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Vergleiche Eisen mit Zink.
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Ja. Gegenüber Zn²⁺/Zn (−0,76 V) hat Fe²⁺/Fe (−0,44 V) den größeren Wert. Eisen ist dann Kathode und Pluspol. E° = 0,32 V.
6 · Ist Cu + Zn²⁺ → Cu²⁺ + Zn freiwillig?
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Rechne für genau die angegebene Richtung.
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Für diese Richtung wäre Zink die Reduktionsseite. E° = −0,76 − 0,34 = −1,10 V. Unter Standardbedingungen nicht freiwillig; die Gegenrichtung ist begünstigt.
7 · Was passiert beim Vertauschen der Messleitungen?
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Unterscheide Anzeige und chemische Reaktion.
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Das Vorzeichen der Voltmeteranzeige wechselt. Anode, Kathode und die freiwillige Reaktionsrichtung der Zelle ändern sich dadurch nicht.
8 · Zwei gleiche Cu-Halbzellen: immer 0 V?
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Sind wirklich alle Bedingungen gleich?
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Bei identischen Aktivitäten und Temperaturen beträgt die Zellspannung im Idealmodell 0 V. Bei verschiedenen Aktivitäten kann eine Konzentrationszelle eine Spannung liefern.
Für den Unterricht: Rollen begründen statt auswendig lernen
20–30 Minuten · Oberstufe: Lass die Lernenden für Zn/Cu, Fe/Cu und Zn/Fe jeweils Anode, Kathode und Spannung vorhersagen. Prüft die Ergebnisse anschließend im Halbzellen-Labor. Besonders Zn/Fe zeigt, dass ein negatives Standardpotenzial nicht automatisch den Minuspol festlegt.
Partneraufgabe: Eine Person wählt zwei Halbzellen, die andere erklärt den Elektronenweg und rechnet laut mit Klammern. Danach Rollen tauschen. Als Transfer folgt Cu/Ag: Teilgleichungen ausgleichen und begründen, warum E° nicht multipliziert wird.
Abschlussfrage: Eine Schülerin misst statt 1,10 V nur 1,03 V. Muss die Rechnung falsch sein? Erwartung: Nein; Bedingungen und Belastung müssen geprüft werden. Standardwert und reale Klemmenspannung sind zu unterscheiden.
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