Salzbrücke

Definition und Zweck

Eine Salzbrücke, auch Ionenbrücke, Elektrolytbrücke oder Stromschlüssel genannt, ist eine ionenleitende Verbindung zwischen Elektrolytlösungen. Sie ermöglicht den freien Fluss von Ionen zwischen den verbundenen Systemen. Gleichzeitig soll sie verhindern, dass sich die Lösungen schnell vermischen und dadurch ein Diffusionspotential entsteht. Ein Diffusionspotential ist eine elektrische Spannung, die durch unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten von Ionen an einer Phasengrenze entstehen kann.

Die Phasengrenzen werden meist durch feinporige Wände aus gesintertem Glas oder Keramik beziehungsweise durch ein Diaphragma stabilisiert. Salzbrücken oder vergleichbare Verbindungen werden verwendet, wenn mehrere Systeme elektrisch beziehungsweise ionenleitend verbunden sein sollen, die freie Diffusion von Teilchen zwischen ihnen aber möglichst gering bleiben soll.

Elektrolyt und Auswahl des Salzes

Der Elektrolyt der Salzbrücke ist eine konzentrierte Salzlösung. Bei der Auswahl des Salzes ist wichtig, dass Anion und Kation möglichst ähnliche Überführungszahlen besitzen. Die Überführungszahl beschreibt den Anteil des elektrischen Transports, den ein bestimmtes Ion übernimmt. Dadurch werden unerwünschte Potentiale an den Übergängen verringert.

Besonders geeignet ist Kaliumchlorid. Auch Kaliumnitrat und Ammoniumnitrat werden verwendet. Das Salz darf außerdem nicht mit den Elektrolyten reagieren, die durch die Salzbrücke miteinander verbunden werden.

Anwendungen und Bauformen

Die wichtigste Anwendung liegt in der Analytik, genauer in der Elektroanalytik, beispielsweise bei elektrochemischen Sensoren. Die Verbindung zur Bezugselektrode darf die Potentialmessung nicht verfälschen, damit ein genaues Analysenergebnis erhalten wird. Salzbrücken verbinden außerdem die Halbzellen galvanischer Elemente.

Wenn nur eine Spannung gemessen wird, darf die Salzbrücke relativ hochohmig sein. Sie kann dann auch lang und/oder schmal ausgeführt sein. Soll dagegen ein Strom fließen, etwa wenn ein galvanisches Element als leistungsfähige Stromquelle genutzt wird, muss ihr Widerstand klein sein. Die Brücke sollte dann kürzer sein und einen ausreichenden Durchmesser besitzen.

Häufig werden U-förmige Glasrohre verwendet. Sie werden mit der konzentrierten Salzlösung gefüllt; ihre beiden Schenkel tauchen in die zu verbindenden Elektrolytlösungen. Alternativ kommen Kunststoff- oder Gummischläuche zum Einsatz. Durch Verdicken der Lösung, zum Beispiel mit Agar, lässt sich die Vermischung mit den Kontaktflüssigkeiten vermindern.

Die Leitfähigkeit einer solchen Salzbrücke steigt zunächst mit der Konzentration der Salzlösung, erreicht ein Maximum und nimmt danach wieder ab. Sie steigt außerdem mit zunehmendem Durchmesser des U-Rohres. Luftblasen verringern die Leitfähigkeit und müssen vermieden werden. Bei kleinen Strömen, etwa bei Potentialmessungen mit hochohmigen elektronischen Spannungsmessgeräten, können auch mit konzentrierter Salzlösung getränkte Filterpapierstreifen verwendet werden. Ihre Leitfähigkeit hängt zusätzlich von den Eigenschaften des Filterpapiers ab.

Historische Entwicklung

Salzbrücken wurden bereits zur Verbindung von Bezugselektroden eingesetzt, bevor sich diese Bezeichnung etablierte. Wilhelm Ostwald stellte nach seinem 1893 veröffentlichten Buch die Verbindung einer Kalomelelektrode zu den untersuchten Halbzellen mit einem mit Kaliumchlorid gefüllten Gummischlauch her. Ein Quetschhahn ermöglichte es, den Schlauch leicht zu verschließen.

Olin Freeman Tower (1872–1945), ein US-Amerikaner und Student Ostwalds in Leipzig, entdeckte, dass sich Kaliumchloridlösungen für Salzbrücken besser eignen als Lösungen anderer Salze. Er veröffentlichte seine Ergebnisse 1896. In der zweiten Auflage von Ostwalds Werk „Hand- und Hülfsbuch zur Ausführung physiko-chemischer Messungen“ wurden verschiedene Elektrolytbrücken beschrieben; Glasbrücken wurden dort als „Heberrohr“ bezeichnet. Außerdem erwähnte Ostwald Dochte aus Baumwolle oder Asbest. Niels Bjerrum berichtete 1905 über Messungen an Salzbrücken mit Kaliumchloridlösung.