Chemie · Klasse 12–13 · aktualisiert
Elektrochemische Spannungsreihe einfach anwenden
Redoxpaare vergleichen, Elektroden zuordnen und Standardzellspannungen berechnen.
0 von 10 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Die elektrochemische Spannungsreihe ordnet Redoxpaare nach ihrem Standardreduktionspotenzial. Unter Standardbedingungen wird in einer freiwilligen galvanischen Zelle das Paar mit dem höheren Wert reduziert. Die Standardzellspannung ist Kathodenpotenzial minus Anodenpotenzial.
Die elektrochemische Spannungsreihe ordnet Redoxpaare nach ihren Standardreduktionspotenzialen. Vergleichst du zwei Werte, kannst du unter Standardbedingungen die Reaktionsrichtung, Anode und Kathode sowie die Zellspannung bestimmen.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Ein Redoxpaar enthält eine oxidierte und eine reduzierte Form. Tabellen geben die Reduktion und ihr Standardpotenzial an. Zum Vergleich dienen hier zwei Paare:
\ce{Ag+ + e- <=> Ag} mit E^0=+0{,}80\,\mathrm{V}.
\ce{Fe^2+ + 2e- <=> Fe} mit E^0=-0{,}45\,\mathrm{V}. Fe²⁺ ist ein zweifach positiv geladenes Eisenion; die vorangestellte 2 bei Elektronen zählt zwei Teilchen.
Das Einzelpotenzial ist nicht direkt messbar. Messbar ist die Differenz zwischen zwei Halbzellen. Die Standard-Wasserstoffelektrode ist die Referenz mit festgelegten 0\,\mathrm{V}. Standardwerte beziehen sich auf ungefähr 25\,^\circ\mathrm{C} und festgelegte Aktivitäten; bei gelösten Metallionen rechnet das Schulmodell oft mit 1\,\mathrm{mol/L}.
Definition
Standardreduktionspotenzial
Das Standardreduktionspotenzial E^\circ beschreibt die Elektronenaufnahmebereitschaft der oxidierten Form eines Redoxpaares unter festgelegten Bedingungen. Je positiver der Wert ist, desto leichter läuft die notierte Reduktion im Vergleich zu einem Paar mit niedrigerem Wert ab.
Merke: Unter Standardbedingungen nimmt die oxidierte Form des Paares mit dem höheren Reduktionspotenzial im Vergleich leichter Elektronen auf. Die reduzierte Form des anderen Paares gibt sie leichter ab.
Teste dich
Unter Standardbedingungen schreibst du beide Teilgleichungen zuerst als Reduktionen und vergleichst die Potenziale. Das Paar mit dem höheren Wert bleibt in Reduktionsrichtung; das andere kehrst du für die Oxidation um. Gleiche anschließend die Elektronenzahlen aus. Bei Fe²⁺/Fe und Ag⁺/Ag wird Eisen oxidiert und Silberionen werden reduziert. Eisen ist Anode und Minuspol, Silber Kathode und Pluspol. Die Elektronen fließen außen von Eisen zu Silber. Bei anderen Bedingungen brauchst du die aktuellen Potenziale statt nur der Tabellenwerte.
Definition
Elektrodenrollen
An der Anode findet die Oxidation statt. An der Kathode findet die Reduktion statt. In einer freiwillig arbeitenden galvanischen Zelle fließen die Elektronen im äußeren Leiter von der Anode zur Kathode.
Merke: Merke dir die Vorgänge, nicht nur die Pole: Anode = Oxidation, Kathode = Reduktion. Die Polzeichen können bei anderen Zelltypen anders zugeordnet sein.
Beispiel: So vergleichst du zwei Redoxpaare unter Standardbedingungen
- 1Schreibe beide Halbgleichungen zunächst als Reduktionen auf.
- 2Vergleiche ihre Standardreduktionspotenziale.
- 3Unter Standardbedingungen bleibt das Paar mit dem höheren Wert in Reduktionsrichtung.
- 4Kehre das Paar mit dem niedrigeren Wert um. Dort läuft die Oxidation ab.
- 5Gleiche die Zahl der aufgenommenen und abgegebenen Elektronen an.
Teste dich
Für die Fe/Ag-Zelle laufen die Teilreaktionen getrennt ab:
\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}
\ce{2Ag+ + 2e- -> 2Ag}
In der Summe kürzen sich die Elektronen:
\ce{Fe + 2Ag+ -> Fe^2+ + 2Ag}
Die Silber-Halbreaktion wird verdoppelt, weil Eisen zwei Elektronen abgibt. Das Potenzial +0{,}80\,\mathrm{V} wird dabei nicht verdoppelt; es ist keine Stoffmenge.
Auch bei direktem Kontakt von Zink mit einer Kupferionenlösung geben Zinkatome Elektronen an Kupferionen ab: Zinkionen entstehen und Kupfer scheidet sich auf dem Zink ab. In getrennten Halbzellen fließen die Elektronen dagegen durch den äußeren Draht.
Beispiel: Elektronen ausgleichen
- 1Eine Eisenhalbzelle und eine Silberhalbzelle werden verbunden.
- 2Eisen gibt zwei Elektronen ab: \ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}.
- 3Zwei Silberionen nehmen je ein Elektron auf: \ce{2Ag+ + 2e- -> 2Ag}.
- 4Die Summe lautet \ce{Fe + 2Ag+ -> Fe^2+ + 2Ag}; Atome und Ladung sind ausgeglichen.
Teste dich
Die Standardzellspannung berechnest du aus den Standardreduktionspotenzialen:
U^0=E^0_{\mathrm{Kathode}}-E^0_{\mathrm{Anode}}
Bei Fe/Ag ist Silber die Kathode. Das Minus vor dem negativen Eisenpotenzial wird beim Rechnen zum Plus. Tabellenwerte gelten für festgelegte Bedingungen. Ändern sich Aktivität, Temperatur oder Gasdruck, ändern sich die aktuellen Potenziale; dafür hilft die Nernst-Gleichung. Eine positive Standardspannung sagt die thermodynamisch bevorzugte Richtung unter Standardbedingungen voraus, aber nicht die Geschwindigkeit. Für eine Legierung oder einen Elektrolyten unbekannter Zusammensetzung, etwa Apfelsaft, fehlen oft passende Tabellenangaben. Spannung ist eine Potenzialdifferenz; Stromstärke ist Ladungsfluss pro Zeit.
Beispiel: Standardspannung von Fe/Ag
- 1Gegeben: E^0(\ce{Ag+/Ag})=+0{,}80\,\mathrm{V} und E^0(\ce{Fe^2+/Fe})=-0{,}45\,\mathrm{V}.
- 2Silber ist Kathode, Eisen Anode.
- 3U^0=+0{,}80\,\mathrm{V}-(-0{,}45\,\mathrm{V}).
- 4U^0=+1{,}25\,\mathrm{V}. Das positive Vorzeichen passt zur freiwilligen Richtung unter Standardbedingungen.
Merke: Erst die Elektrodenrollen bestimmen, dann rechnen: Kathode minus Anode. Sortiere die Zahlen nicht mechanisch nach ihrem Betrag.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Elektrochemische Spannungsreihe
Ordnung
Redoxpaare stehen nach Standardreduktionspotenzialen.
Kathode
Unter Standardbedingungen gehört das höhere Reduktionspotenzial zur Reduktion.
Anode
Unter Standardbedingungen gehört das niedrigere Reduktionspotenzial zur Oxidation.
Elektronen
Sie fließen außen von Anode zu Kathode.
Zellspannung
Kathodenpotenzial minus Anodenpotenzial.
Grenze
Standardwerte gelten unter festgelegten Bedingungen.
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Fe/Ag-Zelle aus Tabellenwerten
- 1Die Halbzellen Fe/Fe²⁺ und Ag⁺/Ag haben ungefähr −0,45 V und +0,80 V unter Standardbedingungen.
- 2Ag⁺ wird an der Kathode reduziert; Fe wird an der Anode oxidiert.
- 3Die ausgeglichene Reaktion ist \ce{Fe + 2Ag+ -> Fe^2+ + 2Ag}.
- 4Kathode minus Anode: U^0=0{,}80\,\mathrm{V}-(-0{,}45\,\mathrm{V}). Damit gilt U^0=1{,}25\,\mathrm{V}.
Fehler finden
Potenzial und Koeffizient unterscheiden In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Beim Verdoppeln der Halbreaktion bleibt das Standardpotenzial von A +0,50 V; nur die Stoffmengen werden verdoppelt.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Unter Standardbedingungen wird das Paar mit dem Standardreduktionspotenzial bevorzugt reduziert. Beim Ausgleichen werden die angepasst. Für die Spannung rechnest du .
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback