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4. Standardpotenziale der Metalle / die Wasserstoffhalbzelle

Halbzellen und galvanische Elemente

Mit Hilfe einfacher "Eintunk-Versuche" (Ein Metall X wird in die Lösung von Kationen eines Metalls Y eingetunkt) kann man eine Redoxreihe der Metalle aufstellen und die Metalle nach ihrem Redoxpotenzial ordnen:

Mit dieser rein qualitativen Ordnung wollen wir uns jetzt nicht weiter zufrieden geben. Wir wollen die tatsächlichen Positionen der einzelnen Metalle in der Redoxreihe der Metalle ermitteln. Das nötige Werkzeug haben wir bereits in der letzten Folge kennengelernt. Allerdings ist eine Zitrone doch recht ungeeignet für quantitative Versuche. Bevor man darangeht, verschiedene Metalle miteinander zu kombinieren, muss man für einheitliche Standardbedingungen sorgen, damit die Versuchsergebnisse reproduzierbar sind.

Definition: Standard-Halbzelle Eine Standard-Halbzelle besteht aus zwei Komponenten: Einem Metall Me, das in eine 1-molare Lösung mit Kationen Men+ des Metalls eintaucht.

Eine Standard-Zink-Halbzelle können wir uns z.B. aus einem Becherglas herstellen, das mit Zinksulfat-Lösung der Konzentration 1 mol/l gefüllt ist und in das wir eine Zinkstange hineinstellen. Eine Standard-Kupfer-Halbzelle bauen wir analog aus einem Becherglas zusammen, das mit Kupfersulfat-Lösung der Konzentration 1 mol/l gefüllt ist, in die wir ein Kupferblech stellen.

Definition: Galvanisches Element Ein galvanisches Element besteht aus zwei (Standard) Halbzellen, die miteinander verbunden werden. Der Stromkreis muss durch eine Elektrolytbrücke oder eine permeable Membran geschlossen werden.

Für den Schulunterricht gibt es eine bequeme Möglichkeit, galvanische Elemente aus Standard-Halbzellen herzustellen.

Versuch 4.1 Durchführung: In ein Becherglas mit 1-molarer Zinksulfat-Lösung wird eine Zinkelektrode gestellt, in ein Becherglas mit 1-molarer Kupfersulfat-Lösung eine Kupferelektrode. Dann wird ein Papiertaschentuch mit konzentrierter Kaliumnitrat-Lösung getränkt und als Elektrolytbrücke zwischen die beiden Becherglas gehängt. So können die in den Elektrolyten gelösten Anionen und Kationen von dem einen Becherglas in das andere gelangen und den Stromkreis schließen. Die Zinkelektrode und die Kupferelektrode werden mit Hilfe von zwei Kabeln an ein Voltmeter angeschlossen. Beobachtung: Man kann eine Spannung von ca. 1,10 Volt ablesen.

Statt der Apparatur mit den zwei Bechergläsern hätte man natürlich auch ein U-Rohr mit Fritte oder einen Elektrochemie-Baukasten nehmen können. Aber die U-Rohre haben den Nachteil, dass die Fritten leicht verstopfen, wenn man sie nicht gründlich reinigt, außerdem sind sie recht teuer und damit in den meisten Chemie-Sammlungen recht selten. Und die Elektrochemie-Baukästen sind noch teurer und daher noch weniger verbreitet als Bechergläser. Allerdings ist das Arbeiten mit Elektrochie-Kästen, wenn man denn welche zur Verfügung hat, recht angenehm.

Welche Erkenntnis haben wir aus dem Versuch 4.1 gewonnen?

Wir kennen zwar nicht die absoluten Redoxpotenziale von Kupfer und Zink, wissen aber, dass sich die Redoxpotenziale um ca. 1,10 Volt unterscheiden (der genau Wert ist 1,11 Volt).

Versuch 4.2 Durchführung: Genau wie Versuch 1, nur diesmal verwenden wir eine Zink- und eine Silber-Halbzelle. Beobachtung: Man kann eine Spannung von ca. 1,56 Volt ablesen.

Erkenntnisse aus Versuch 4.2

Der Abstand der Redoxpotenziale von Zink und Silber beträgt 1,56 Volt. Wir wissen aber nicht, ob das Redoxpotenzial von Silber oberhalb oder unterhalb von dem des Zinks liegt (obwohl wir schon den Verdacht haben, dass Silber edler ist als Zink). Ein weiterer Versuch bringt Gewissheit:

Versuch 4.3 Durchführung: Genau wie Versuch 1, nur diesmal verwenden wir eine Kupfer- und eine Silber-Halbzelle. Beobachtung: Man kann eine Spannung von ca. 0,45 Volt ablesen.

Erkenntnisse aus Versuch 4.3

Hätte das Silber ein höheres (negativeres) Redoxpotenzial als Zink, so müssten wir bei diesem Versuch eine Spannung von 1,56 + 1,10 = 2,66 Volt ablesen. Da wir aber nur 0,45 registrieren, scheint das Silber ein niedrigeres Redoxpotenzial als Kupfer zu haben.

Wenn wir solche Versuche systematisch wiederholen, so erhalten wir schließlich die Spannungsreihe der Metalle.

Die Spannungsreihe der Metalle

Man erkennt sofort den praktischen Nutzen dieser Tabelle: Wir können eine Super-Batterie bauen, indem wir eine Lithium-Halbzelle mit einer Gold-Halbzelle kombinieren. Wir müssten dann die wahnsinnige Spannung von 4,45 Volt erhalten.

Die Frage, die sich beim Betrachten dieser Spannungsreihe sofort stellt, ist die: Wo ist eigentlich der Nullpunkt der Spannungsreihe? Bei der Temperaturskala nach Celsius hat man ja bekanntlich den Gefrierpunkt des Wassers als Nullpunkt gewählt. Man sollte meinen, bei der Spannungsreihe hätte man das Redoxpotenzials eines bestimmten Metalls als Nullpunkt genommen. Gold würde sich hierfür gut eignen, alle anderen Metalle hätten dann negative Redoxpotenziale, Lithium z.B. -4,45 Volt.

Aber nein, man musste ja wieder mal was Ungewöhnliches machen. Kein Metall hat man für das Nullpotenzial genommen, sondern ein Nichtmetall, nämlich den Wasserstoff.

Die Wasserstoff-Halbzelle

Es ist gar nicht so einfach, eine Wasserstoff-Halbzelle zu konstruieren. Rein theoretisch müsste man dazu eine Elektrode aus gefrorenem Wasserstoff-Gas verwenden, die in eine Lösung mit Protonen (Wasserstoff-Ionen) eintaucht. Eine Elektrode aus festem Wasserstoff könnte man ja noch herstellen, wenn man sich vorher warm anzieht. Aber wie soll man den gefrorenen Wasserstoff bei den eisigen Temperaturen in eine flüssige Lösung mit Protonen hineinbekommen? Keine Chance! Also hat man sich was anderes ausgedacht. Man nimmt gar keinen festen Wasserstoff, sondern festes Platin. Platin ist ein ziemlich edles Metall, das sich aus bestimmten Gründen besonders gut für die Konstruktion von solchen Elektroden eignet, besser jedenfalls als Gold (sonst würde man ja überall Gold-Elektroden einsetzen). Das Platinmetall soll aber keine Platin-Kationen abgeben, sondern ist nur eine Art Träger für gasförmigen Wasserstoff. Dieser gasförmige Wasserstoff strömt aus einer Wasserstoff-Flasche mit normalem Druck bei normaler Temperatur von unten an der Platin-Elektrode vorbei. Es bildet sich ein dünner Mantel aus Wasserstoff-Gas um das Platin, und dieser dünne Mantel ist dann die Wasserstoff-Elektrode. Als Elektrolyt-Lösung muss man eine Flüssigkeit nehmen, die Protonen in einer Konzentration von 1 mol/l enthält. Am besten eignet sich dafür Salzsäure der Konzentration c(HCl) = 1 mol/l.

Die Skizze stellt eine Wasserstoff-Elektrode dar. Von unten strömt Wasserstoff-Gas um eine Platin-Elektrode, die Gasbläschen bilden eine Art Mantel um das Metall herum, welcher dann die eigentliche Elektrode darstellt. Echte Wasserstoff-Elektroden sind natürlich etwas anders aufgebaut als die hier abgebildete.

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