zum Directory-modus

Elektrochemie

Galvanispannung

Ausgangspunkt der Betrachtung ist die folgende Beobachtung.

Abb.1
Daniell-Element
  • Ein Zn-Stab wird in eine wässrige CuSO4 -Lösung getaucht. Auf dem Zn -Stab bildet sich ein Cu-Überzug und Zn2+-Ionen werden in die Lösung abgegeben. Es findet folgende Reaktion statt:
Cu2++ Zn Cu+ Zn2+
  • Ein Cu -Blech wird in eine wässrige ZnSO4 -Lösung getaucht. Auf dem Cu -Blech scheidet sich kein Zink ab, es entstehen keine Cu2+ -Ionen in der Lösung. Die obige Reaktion findet in umgekehrter Richtung nicht statt, zumindest nicht mit merklichem Umsatz.
Cu+ Zn2+ Cu2++ Zn

Es besteht also eine Tendenz des Zinkmetalls, an der Phasentrennfläche [ Metall / CuSO4 -Lösung ] Elektronen an Cu2+ -Ionen abzugeben, so dass sich Cu-Metall bildet. Kupfer zeigt diese Tendenz umgekehrt nicht gegenüber Zink-Ionen, wohl aber gegenüber Ag+ -Ionen. Auf einem Cu -Stab in einer AgNO3 -Lösung scheidet sich metallisches Silber ab.

So lässt sich eine Reihenfolge der Metalle aufstellen, in der das jeweils links stehende ein rechts stehendes aus der „Lösung verdrängt”. Man bezeichnet sie als Spannungsreihe der Metalle:

Abb.2
Spannungsreihe der Metalle

Von großer praktischer Bedeutung ist die Stellung von H2 in dieser Reihe. Die Metalle von Kalium bis Blei verdrängen H+ -Ionen aus der Lösung unter Bildung von H2 -Gas, das der flüssigen Phase entweicht. Das ist gerade die in der Praxis oft beabsichtigte Metallauflösung durch eine Säure. Die Metalle von Kupfer bis Platin werden durch Salzsäure nicht gelöst! Eine Auflösung dieser als „edel” bezeichneten Metalle findet erst mit einer konzentrierten, oxidierenden Säure (HNO3, H2SO4) statt.

Die Spannungsreihe ordnet die Metalle nach ihre Vermögen Elektronen abzugeben und positive Ionen zu bilden. Dieses Verhalten liegt auch der bereits 1794 von Volta beobachteten Kontakt-Elektrizität zugrunde. An der Berührungsstelle zweier Metalle bilden sich Oberflächenladungen, die sich in einem Elektroskop nachweisen lassen. Dazu bringt man das Metall mit dem Pol des Elektroskops in Berührung und stellt einen Kontakt zum zweiten Metall her. Zieht man dann das zweite Metall weg, so spreizen sich die Metallblättchen.

Abb.3
Goldblatt-Elektroskop

So lange nämlich die beiden Metalle in Kontakt sind, bleiben die gebildeten elektrischen Ladungen an der Phasentrennfläche durch die elektrischen Anziehungskräfte fixiert .

Mit diesen Versuchen gelangte Volta zu einer Reihenfolge der Metalle, bei der jeweils das zweite (obere) im unteren eine negative Oberflächenladung erzeugte. Diese Folge ist mit der obigen Spannungsreihe identisch. Volta konnte mit seinen Elektroskop-Versuchen auch nachweisen, dass sich an der Phasentrennfläche Metall/Wasser oder Metall/Salzlösung Oberflächenladungen (= elektrische Doppelschichten) bilden.

Fazit

An der Trennfläche zweier Phasen, die elektrische Leitfähigkeit zeigen (also Elektronen in Metallen oder Ionen in Salzen oder flüssigen Salzlösungen), entstehen Oberflächenladungen (= elektrische Doppelschichten). Sie verursachen eine Potenzialdifferenz zwischen beiden Phasen, die man als Galvanispannung bezeichnet (in Volt). Die Galvanispannung ist mit einem Voltmeter nicht direkt meßbar, da die erforderlichen Kräfte mit dem Messgerät (Anschlusskabel und die Messspitzen) neue Phasentrennflächen und somit weitere Galvanispannungen verursachen.

Es ist einzusehen, dass die Galvanispannung umso größer sein wird, je größer die Tendenz eines Teilchens ist, ein Elektron abzugeben. Da Elektronenabgabe und -aufnahme im engen Zusammenhang mit Reduktions- und Oxidationsreaktionen der Chemie stehen, ist zu vermuten, dass die Galvanispannung eine wichtige Kenngröße für die Reaktivität von Redox-Systemen sein könnte. Dies hat sich voll bestätigt und ist auch der Grund, warum die Messung von Galvanispannungen für die Chemie von großer Bedeutung ist.

Seite 5 von 14