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Konzentrationszellen

Konzentrationszellen

Aus der Nernst-Gleichung wird ersichtlich, dass Potentialdifferenzen zwischen zwei Halbzellen nicht nur durch chemisch unterschiedliche Halbzellen entstehen, sondern auch dann auftreten, wenn zwei chemisch gleichartige Halbzellen sich nur in ihren Konzentrationen unterscheiden. Diesen Typ von galvanischen Elementen nennt man Konzentrationszellen (-ketten).

Verbindet man die beiden Halbzellen leitend, so fließt ein Strom, der eine Angleichung der Konzentrationen zur Folge hat. Die EMK wird Null, wenn gleiche Konzentrationen und damit gleiche Potentiale vorliegen.

Abb.1

Die Berechnung der Zellspannung erfolgt wie üblich nach der Nernst-Gleichung, bei 25 °C also:

E = E 0 + R T z F ln ( c 1 )    und    E 2 = E 0 + R T z F ln ( c 2 ) Δ E = E 2 E 1 = E 0 + R T z F ln ( c 2 ) ( E 0 + R T z F ln ( c 1 ) ) Δ E = R T z F ln ( c 2 c 1 )

Die EMK von Konzentrationsketten ist also nur vom Verhältnis der Konzentrationen der Reaktionspartner abhängig. Die Kenntnis des Standardpotentials ist nicht erforderlich. Für die oben dargestellte Konzentrationskette ergibt sich als EMK bei 25 °C:

Δ E= 0,059V 1 lg ( 0,1 0,001 ) =0,118V

Auch Nichtmetallelektroden können zu Konzentrationszellen kombiniert werden.

Abb.2

Für die EMK ergibt sich die gleiche Formel wie für Konzentrationszellen zweier Metallelektroden.

Konzentrationsketten liefern nur relativ geringe Zellspannungen, sind als Spannungs- und Stromquellen dementsprechend wenig interessant. Allerdings können galvanische Zellen zur Konzentrationsmessung dienen. Ein Beispiel aus dem Alltag ist die Lambda-Sonde, die zur Steuerung des Benzin-Luft-Verhältnisses bei Ottomotoren zur Erzielung optimaler Betriebsbedingungen des Abgaskatalysators eingesetzt wird.

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