Der Lösungsdruck
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Alle Metalle haben das Bestreben beim Eintauchen in Wasser unter Bildung von Kationen in Lösung zu gehen. Ein Beispiel, das du in diesem Zusammenhang sicherlich auch schon einmal im Alltag beobachtet hast, ist das Rosten von Eisen. Kommt Eisen für längere Zeit in Berührung mit Wasser, entsteht durch die Bildung von Eisen(III)-Ionen eine rote Schicht, das sog. Eisenoxid. Allerdings haben nicht alle Metalle das gleiche Bestreben „in Lösung zu gehen“. Allgemein gilt der Zusammenhang: je edler ein Metall, desto geringer ist der Lösungsdruck. Deshalb haben unedle Metalle ein höheres Bestreben zur Ionenbildung in wässriger Lösung als edle Metalle (vgl. Abb. 1).
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Wird ein Metall in wässrige Lösung getaucht, geben die Metallatome mindestens ein Elektron ab. Die Elektronen bleiben jeweils im Metall zurück und bewirken einen spezifischen „Elektronendruck“. An der Metalloberfläche bildet sich eine Doppelschicht aus positiven und negativen Ladungsträgern. Diese unterschiedlichen Ladungen bewirken also die Bildung eines Potentials (Ladungsdifferenz) (vgl. Abb. 2). Dieses Potential eines Redoxsystems ist proportional zum Lösungsdruck eines Metalls. Je größer der Lösungsdruck, desto größer ist auch das sich einstellende Potential. Werden zwei verschiedene Metalle, zum Beispiel Kupfer und Zink, gleichzeitig in die wässrige Lösung getaucht, entsteht auf Grund des unterschiedlichen Lösungsdrucks eine sogenannte Potentialdifferenz.
Die Standardwasserstoffelektrode als Bezugselement für das Standardpotential
Zur Festlegung einer Messgröße für den spezifischen Lösungsdruck von Metallen bestimmt man die Potentialdifferenz eines Halbelements des jeweiligen Metalls zur sogenannten Standardwasserstoffelektrode. Der Standardwasserstoffelektrode ordnet man unter Standardbedingungen willkürlich das Potenzial \(\rm{0 \, V}\) zu. Zur Bestimmung des Standardpotentials wird die Potenzialdifferenz zwischen der Halbzelle der Standardwasserstoffelektrode und der Halbzelle des zu jeweiligen Metalls gemessen. Standardpotentiale von Halbelementen, die gegenüber der Standardwasserstoffelektrode den Minuspol darstellen, erhalten ein negatives Vorzeichen, die Standardpotentiale der Halbelemente, die den Pluspol bilden, sind positiv. Die Spannung, die ein anderes Halbelement unter Standardbedingungen (Konzentration \(\rm{1 \, \frac{mol}{l}}\) und Druck \(\rm{1013 \, hPa}\) aller Reaktionspartner, \(T = 25\, \rm{°C}\)) gegen die Standard-Wasserstoffelektrode zeigt, heißt Standardpotential \(\rm{E^0}\).
Die elektrochemische Spannungsreihe
Ordnet man korrespondierende Redoxpaare nach der Größe ihres experimentell bestimmten Standardpotentials, erhält man die sogenannte elektrochemische Spannungsreihe (vgl. Abb. 2) Das Standardpotential ist somit das Maß für das Oxidations- und Reduktionsvermögen von Teilchen in wässriger Lösung.
Allgemein lassen sich folgende Regel aus der elektrochemischen Spannungsreihe ableiten:
- Unter Standardbedingungen gibt das System mit dem „negativeren“ Standardpotential (Reduktionsmittel) Elektronen an das System mit dem positiveren Standardpotential (Oxidationsmittel) ab.
- Je negativer das Standardpotential, umso stärker das entsprechende Reduktionsmittel.
- Je positiver das Standardpotential, umso stärker das entsprechende Oxidationsmittel.