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6. Konzentrationszellen / NERNSTsche Gleichung

1. Ein verblüffender Versuch

Das gibt's doch gar nicht: Obwohl wir zwei fast identische Halbzellen miteinander verbunden haben, kann man deutlich eine Spannung ablesen - zwar nicht sehr groß, aber immerhin. Wo kommen die 0,06 Volt (genauer: 0,059 Volt) eigentlich her?

Betrachten wir die folgende Gleichung mal etwas näher:

Bekanntlich handelt es sich bei der Oxidation von metallischem Zink um eine Gleichgewichtsreaktion, die normalerweise sehr weit auf der linken Seite liegt. Taucht man einen Zinkstab in Wasser, so lösen sich nur extrem wenige Zink-Atome unter Abgabe von zwei Elektronen in Form von Zink-Ionen in dem Wasser. Der Zinkstab wird dadurch negativ aufgeladen, und so baut sich langsam ein elektrisches Potenzial auf. Dieses ist dem chemischen Potenzial, welches ja die Triebkraft für das Auflösen des Zinks ist, entgegengerichtet. Wenn das elektrische Potenzial einen bestimmten Wert erreicht hat, kann es das chemische Potenzial kompensieren (ausgleichen), und es ist ein Zustand des Gleichgewichts erreicht. In diesem Zustand des elektrochemischen Gleichgewichts läuft die Hinreaktion, also die Oxidation des Zinks, genau so schnell ab wie die Rückreaktion, also die Reduktion des Zinks.

Man kann solche Gleichgewichtsreaktionen beeinflussen, indem man zum Beispiel die Konzentration der Edukte oder Produkte erhöht oder erniedrigt. Was geschieht, wenn man die Konzentration der Zink-Ionen erhöht? Das Gleichgewicht verschiebt sich nach links. Und wenn man die Konzentration der Zink-Ionen erniedrigt, verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts. Genau dies geschieht in den beiden Schenkeln des U-Rohrs während des Versuchs. Im linken Schenkel ist die Zink-Ionen-Konzentration mit 0,01 mol/L recht niedrig, während sie im rechten Schenkel 100 mal höher ist. Die Konsequenz: Im linken Schenkel können sich recht viele Zink-Ionen bilden, und entsprechend negativ lädt sich die linke Zink-Elektrode auf. Im rechten Schenkel sind bereits viele Zink-Ionen im Wasser gelöst, daher bilden sich nur recht wenige neue Zink-Ionen, und die Zink-Elektrode lädt sich nicht ganz so stark negativ auf die linke Elektrode.

Das Bild rechts zeigt die beschriebenen Vorgänge schematisch. Die Zahlenverhältnisse stimmen natürlich nicht mit der Wirklichkeit überein. Im linken Schenkel sieht man, wie sich vier Zink-Ionen gebildet haben, die Elektrode enthält daher acht Elektronen. Im rechten Schenkel haben sich wegen der höheren Zink-Ionen-Konzentration nur drei Zink-Ionen gebildet, so dass die Elektrode rechts nur sechs Elektronen enthält.

Da nun die linke Elektrode (verhältnismäßig) stark negativ geladen ist, die rechte aber nur schwach negativ, liegt ein Ladungsunterschied zwischen den beiden Elektroden vor, den man jetzt als Spannung messen kann.

Verbindet man die beiden Elektroden elektrisch leitend miteinander, so fließen Elektronen von der Donator-Halbzelle (in unserem Beispiel links) zur Akzeptor-Halbzelle (rechts). Die negative Ladung der rechten Elektrode nimmt zu, was dazu führt, dass Zink-Ionen aus der Lösung Elektronen aufnehmen und sich an die Zink-Elektrode anlagern. Das führt aber wiederum dazu, dass die negative Ladung in der rechten Elektrode geringer wird, so dass neue Elektronen von der Donator-Elektrode zur Akzeptor-Elektrode fließen können. Durch die beschriebenen chemischen Prozesse nimmt die Konzentration der Zink-Ionen in der linken Halbzelle immer mehr zu, während die Konzentration in der rechten Halbzelle immer mehr abnimmt. Wenn beide Konzentrationen gleich hoch sind, kommt der Prozess zum Stillstand.

Dieses Kapitel befindet sich zur Zeit (Februar 2007) in Überarbeitung. Bitte haben Sie Geduld, eine Fortsetzung ist geplant....