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Konzentrationselement
Konzentrationselement. Galvanische Zelle, deren Spannung lediglich durch einen Unterschied in der Elektrolytkonzentration zustande kommt. Artikel · Diskussion.
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Grundidee
Ein Konzentrationselement, auch Konzentrationszelle oder Konzentrationskette genannt, ist eine galvanische Zelle. Wie bei einer Batterie entsteht durch chemische Reaktionen eine nutzbare elektrische Spannung.
Das Besondere ist: Die zwei Halbzellen sind gleichartig aufgebaut und unterscheiden sich nur in der Konzentration des Elektrolyten. Die Elektroden bestehen aus demselben Material, und die Elektrolyte enthalten dieselben Ionensorten. Deshalb läuft in der einen Halbzelle bei Stromfluss die Umkehrung der Reaktion in der anderen Halbzelle ab.
Die Spannung entsteht, weil beide Halbzellen dazu neigen, ihre Konzentrationen anzugleichen. Konzentrationselemente werden heute vor allem zu Demonstrationszwecken genutzt. Mit ihnen kann man zeigen und quantitativ überprüfen, wie das Elektrodenpotential beziehungsweise das chemische Potential von der Konzentration abhängt. Außerdem kann man sie zur Herleitung der Nernst-Gleichung verwenden.
Ablauf am Metallbeispiel
Häufig verwendet man Konzentrationszellen mit Metallelektroden, die in Lösungen eines Salzes desselben Metalls tauchen. Beispiele sind Zinkelektroden in Zinksalzlösungen, Eisenelektroden in Eisenchloridlösungen oder Kupferelektroden in Kupfersulfatlösung.
Beim Stromfluss löst sich das Metall in der Halbzelle mit dem verdünnten Elektrolyten. In der Halbzelle mit dem konzentrierteren Elektrolyten wird Metall abgeschieden. Dadurch gleichen sich die Konzentrationen beider Halbzellen an.
Anode, Kathode und Salzbrücke
In der Halbzelle mit der verdünnteren Lösung wird Metall der Elektrode oxidiert: Es gibt Elektronen ab und geht als Metallion in Lösung. Dadurch steigt dort die Ionenkonzentration. Wegen der Elektronenabgabe ist diese Elektrode der Minuspol. Da dort Oxidation stattfindet, ist sie definitionsgemäß die Anode.
Die Elektronen wandern über einen elektrischen Leiter zur anderen Elektrode. Dort werden Metallionen aus der konzentrierten Lösung reduziert: Sie nehmen Elektronen auf und lagern sich als elementares Metall an der Elektrode an. Diese Elektrode ist die Kathode. Da sich positiv geladene Metallionen anlagern, ist sie der Pluspol. Die Konzentration in dieser Halbzelle sinkt.
Eine Salzbrücke schließt den Stromkreis und ermöglicht den Konzentrationsausgleich. Sie ist so gebaut, dass möglichst weder Elektronen noch positiv geladene Metallionen, also Kationen, hindurchtreten. Durchgelassen werden vor allem negativ geladene Anionen aus der Salzlösung. Der Prozess läuft, bis kein Konzentrationsunterschied mehr besteht.
Spannung berechnen
Die Potentialdifferenz U der galvanischen Zelle kann mit der Nernst-Gleichung berechnet werden. Da beide Halbzellen dasselbe Standardpotential haben, vereinfacht sich die Gleichung zu:
U = (R · T) / (z · F) · ln(c_A / c_D), mit c_A > c_D.
Dabei ist R die universelle oder molare Gaskonstante: R = 8,31447 J·mol^−1·K^−1 = 8,31447 C·V·mol^−1·K^−1. T ist die absolute Temperatur in Kelvin. F ist die Faraday-Konstante: F = 96485,34 C·mol^−1 = 96485,34 J·V^−1·mol^−1. z ist die Anzahl der Übergangselektronen pro Oxidation oder Reduktion. c_A ist die Elektrolytkonzentration in der Akzeptorhalbzelle, also der Kathode. c_D ist die Elektrolytkonzentration in der Donatorhalbzelle, also der Anode. ln bezeichnet den natürlichen Logarithmus.
Sonderfall gleicher Konzentrationen
Bei Temperaturen zwischen 21,7 °C und 26,7 °C ergibt sich aus der Nernst-Gleichung die vereinfachte Form:
U = (0,059 V / z) · log(c_A / c_D), mit c_A > c_D.
Wenn c_A = c_D gilt, sind die beiden Halbzellen gleich. Dann gibt es keinen Potentialunterschied zwischen den Elektroden. Die messbare Spannung zwischen den Halbzellen beträgt 0 V.
