Elektrodenpotenzial

Stehen zwei Elektroden im Kontakt mit einem Elektrolyten, lässt sich zwischen ihnen eine elektrische Spannung messen. Das Elektrodenpotenzial (Symbol: E) gibt an, welche elektrische Spannung eine Elektrode liefern kann oder welche Spannung benötigt wird, um – beispielsweise bei einer Elektrolyse – einen bestimmten Zustand aufrecht zu erhalten. Es ist damit die vielleicht wichtigste Größe zur Beschreibung des Zustandes einer Elektrode und ein zentraler Begriff der Elektrochemie: Elektrodenpotenziale erlauben die Berechnung der elektrischen Spannung, die Batterien oder Akkumulatoren liefern können oder die für eine Elektrolyse benötigt werden.

Grundlagen

Die Messung einer elektrischen Spannung erfolgt immer zwischen zwei Punkten, beispielsweise zwischen zwei Elektroden. Die Spannung zwischen zwei Polen ist definiert als die elektrostatische Energie, die man benötigt, um ein Coulomb Ladung von einem Pol zum andern zu bewegen. Diese Energie kann man direkt messen, wenn man Ladungen im Vakuum, innerhalb eines Metalls oder zwischen zwei Metallpolen bewegt. Wenn man aber eine Ladung, beispielsweise ein Elektron, aus einer Metallelektrode in eine Elektrolytlösung bringt, so ist die dafür benötigte Energie nicht nur durch elektrostatische, sondern auch durch chemische Wechselwirkungen des Elektrons mit dem Metall oder mit den Lösungsbestandteilen bestimmt. Deswegen kann man zwischen einer Elektrode und dem Elektrolyten keine Spannung messen, man benötigt immer zwei Elektroden zur Spannungsmessung.

Das Elektrodenpotenzial E ist nun die Spannung der Elektrode, die gegenüber einer Bezugselektrode gemessen wird. Bezugselektroden sind Elektroden mit bekanntem Potenzial, das heißt mit bekanntem elektrochemischen Zustand. Die zwischen zwei beliebigen Elektroden möglichen Spannungen können dann anhand der Elektrodenpotenziale berechnet werden: Die Spannung U ist gleich der Potenzialdifferenz ΔE aus den Potenzialen E₁ und E ₂ der Elektroden 1 und 2:

U = \Delta E = E_2-E_1

Um den Begriff Potenzial anschaulich zu machen, wird bisweilen der Begriff „Elektronendruck“ verwendet. Eine Elektrode mit einer großen negativen Ladung im Metall hat ein negatives Potenzial und einen großen „Elektronendruck“. Sie hat das Bestreben, diese Elektronen abzugeben, sie kann also reduzierend auf die Umgebung wirken. Verbindungen, die ihre Elektronen leicht abgeben, also leicht oxidiert werden, können eine Elektrode negativ aufladen, also ein negatives Potenzial erzeugen. Anhand des Potenzials kann man also angeben, welche Vorgänge an einer Elektrode ablaufen können. Das Potenzial muss hierbei jedoch in seiner Negativität immer im Vergleich zur korrespondierenden Elektrode gesehen werden.

Wenn in einer galvanischen Halbzelle zwei Oxidationsstufen eines chemischen Elements oder einer Verbindung miteinander im Gleichgewicht stehen, ist das Potenzial der Zelle festgelegt: Im Gleichgewicht werden über die Metallelektrode Elektronen zwischen den unterschiedlich elektrisch geladenen Formen ausgetauscht. Die Lage des Gleichgewichts und damit das Elektrodenpotenzial hängen von dem Konzentrationsverhältnissen sowie der Temperatur ab. Diese Abhängigkeit wird mit der Nernst-Gleichung berechnet.

Bestimmung des Elektrodenpotenzials

Das Elektrodenpotenzial wird durch eine einfache Spannungsmessung bestimmt. Der Wert wird in Volt (V) angegeben. Da das Potenzial einer Elektrode immer gegen eine Bezugselektrode gemessen wird, muss angegeben werden, welche Bezugselektrode verwendet wurde, es sei denn, es wurde die Normalwasserstoffelektrode verwendet: Diese ist der wichtigste Bezugspunkt, und in der Regel beziehen sich Elektrodenpotenziale auf diese Elektrode. Elektrochemische_Dreielektrodenmessanordnung.png

Eine Liste von Elektrodenpotenzialen findet man unter Elektrochemische Spannungsreihe. Die dort angegebenen Potenziale beziehen sich auf Aktivitäten von 1 mol/l, also auf etwa einmolare Lösungen.

In der Lösung vor der Referenzelektrode tritt ein ohmscher Spannungsabfall auf, wenn ein Strom fließt. Daher muss für genaue Potenzialmessungen entweder komplett stromlos oder zumindest möglichst hochohmig gemessen werden, oder es wird eine Drei-Elektroden-Anordnung benutzt, bei der die Potenzialmessung zur Referenzelektrode stromlos erfolgt, auch wenn ein Strom zur Arbeitselektrode fließt. Die stromlos gemessene Klemmenspannung einer Galvanischen Zelle heißt auch Elektromotorische Kraft.

Normalpotenzial

Wird das Elektrodenpotenzial einer Standardelektrode mit der Normal-Wasserstoffelektrode als Referenz bestimmt, spricht man vom Normalpotenzial (E⁰). Die Normal-Wasserstoffelektrode selbst besitzt folglich ein Normalpotenzial von E⁰ = 0,00 Volt.

Das Vorzeichen für das Normalpotenzial bezieht sich immer auf den Reduktionsprozess an einer Elektrode. Man spricht deshalb oft auch vom Reduktionspotenzial. Je größer (positiver) das Elektrodenpotenzial (beziehungsweise Normalpotenzial) einer Halbzelle ist, desto stärker ist die Oxidationskraft der oxidierten Form.

Beispiel

Die Halbzelle

2F^- | F_2

besitzt einen

E^0

- Wert von + 2,85 V. Das bedeutet, schaltet man diese Zelle gegen eine Normal-Wasserstoffelektrode, so stellt man eine elektrische Spannung von 2,85 V fest. Bei Stromfluss fließen die Elektronen durch den elektrischen Leiter von der Halbzelle

H | H^+

zur Halbzelle

2F^- | F_2

. An den Elektroden laufen dann folgende Reaktionen ab:

$H_2 \to 2H^+ + 2e^-$ (Oxidation)

und

$F_2 + 2 e^- \to 2F^-$ (Reduktion)

Fluor ist das stärkste bekannte Oxidationsmittel, es lassen sich durch chemische Prozesse also keine größeren Elektrodenpotenziale erreichen.

Zusammenfassung

Das Elektrodenpotenzial einer Elektrode ist gleich ihrer stromlos gegen eine Referenzelektrode gemessen Spannung.

Absolutes Elektrodenpotenzial

Wie oben erklärt, können Elektrodenpotenziale nur als Spannung gemessen werden, wofür man eine zweite Elektrode benötigt. Daher ist das Potenzial einer einzelnen Elektrode nicht direkt messbar, sondern muss immer im Bezug auf eine Referenz angegeben werden. Ein geeigneter Bezugspunkt für eine Potenzialangabe ist – für eine Elektrode wie für Ladungen in der Elektrostatik – aber auch ein Elektron in unendlicher Entfernung. Elektrodenpotenziale, die relativ zu einem solchen System ohne Metall-Elektrolyt-Phasengrenze angegeben werden, nennt man auch absolute Elektrodenpotenziale. Sie lassen sich zwar nicht direkt messen, können aber anhand von Messwerten berechnet werden. Für die Normalwasserstoffelektrode wird ein absolutes Elektrodenpotenzial von 4.44 V angegeben, nach anderen Messungen aber auch ein Wert von 4.7 V. Die Unsicherheit in der Angabe des absoluten Elektrodenpotenzials ist also viel größer als die typische Messgenauigkeit bei einer Potenzialmessung gegen eine Referenzelektrode. Die Umrechnung eines gegen eine Referenzelektrode gemessenen Potenzials in ein absolutes Elektrodenpotenzial ist daher nicht sinnvoll.

Verweise

Elektrochemie

Electrode potential | Elektrodpotential | Електродний потенціал