Berechnen von Potentialdifferenzen bei galvanischen Zellen

Eine galvanische Zelle besteht aus zwei Halbzellen, zwischen denen eine Potentialdifferenz besteht. Verbindet man die beiden Halbzellen über einen äußeren Stromkreis, so gleichen sich die Potentiale an. Dabei fließen Elektronen von der Anode (Minuspol) über den Draht zur Kathode (Pluspol). Da die Anoden- Zelle Elektronen für die Redoxreaktion liefert, wird diese Zelle auch als Donator- Halbzelle bezeichnet. Entsprechend wird die Kathoden- Zelle als Akzeptor- Halbzelle, da diese die Elektronen aufnimmt.

Definition:

Die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet bezeichnet man als Anode.

Die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet nennt man Kathode.

Die zuerwatetende Spannung [U] einer galvanischen Zelle mit 1 molaren Salzlösungen kann berechnet werden. Dazu ermittelt man die Differenz aus dem Standardpotential der Akzeptor- Halbzelle und dem Standardpotential der Donator- Halbzelle:

 UZelle = UA - UD

Für das Beispiel der Zink- Kupfer- Zelle [Zn/Zn2+ // Cu2+/Cu] wird die Spannung der galvanischen Zelle wie folgt berechnet. Die Zinkhalbzelle stellt die Donator- Halbzelle und die Kupferhalbzelle die Akzeptor- Halbzelle dar.

 UZelle = UA – UD = +0,35V – (-0,76V) = 1,11V

Die Akzeptor- Halbzelle ist immer die Halbzelle, die das positivere Standardpotential besitzt. Entsprechend wird die Halbzelle mit dem negativeren Potential als Donator- Halbzelle bezeichnet.

Nernst’sche Gleichung

Da die Normalpotentiale nur für 1 molare Lösungen gelten, kann man die zuerwartende Spannung einer galvanischen Zelle mit unterschiedlichen Lösungskonzentrationen auf diesem Wege nicht ermitteln. Das heißt man könnte die Spannung von sogenannte Konzetrationszellen nicht bestimmen. Konzentrationzzellen bestehen aus zwei völlig identischen Halbzellen, sie unterscheiden sich lediglich in der Konzentration der Salzlösungen ( Beispiel für eine Konzentrationszelle ist der Bleiakkumulator [Zn/Zn2+ // Zn2+/Zn].

 

Um die Spannung solcher trotzdem bestimmen zu können, entwickelte der Chemiker Walter Nernst eine Formel zur Umrechnung von Standardpotentiale (die nur für 1 molare Lösungskonzentrationen gelten) auf Werte für beliebige andere Konzentrationen. Diese Formel ist heute als Nenrnst’sche Gleichung bekannt:

 U = U0 + 0,059/n ● lg [Ox.]/[Red.]     → bei Metallen gilt: U = U0 + 0,059/n ● lg c (Men+)

                                                          → bei Nichtmetallen: U = U0 - 0,059/n ● lg c (Hal-)

U: gesuchtes Redox- Potential der Halbzelle
U0: Standardpotential der Halbzelle
n: Anzahl der Elektronen
[Ox]: Konzentration der oxidierten Form (Ionen)
[Red]: Konzentration der reduzierten Form (Atome)

 

© 2001-2005 [Chempage.de] – Michael Müller – michael.mueller@rwth-aachen.de http://www.chempage.de

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