71Redoxreaktionen – Elektrochemie Red Li+(aq) K+(aq) Ca2+(aq) Na+(aq) Mg2+(aq) Al3+(aq) Mn2+(aq) Zn2+(aq) Cr3+(aq) Fe2+(aq) Cd2+(aq) Co2+(aq) Ni2+(aq) Sn2+(aq) Pb2+(aq) 2H+(aq) Cu2+(aq) Ag+(aq) Hg2+(aq) Pt2+(aq) Au3+(aq) Li(s) K(s) Ca(s) Na(s) Mg(s) Al(s) Mn(s) Zn(s) Cr(s) Fe(s) Cd(s) Co(s) Ni(s) Sn(s) Pb(s) H2(g) Cu(s) Ag(s) Hg(l) Pt(s) Au (s) + e– + e– + 2e– + e– + 2e– + 3e– + 2e– + 2e– + 2e– + 2e– + 2e– + 2e– + 2e– + 2e– + 2e– + 2e– + 2e– + e– + 2e– + 2e– + 3e– E° in V –3,04 –2,92 –2,87 –2,71 –2,36 –1,66 –1,18 –0,76 –0,74 –0,41 –0,40 –0,28 –0,23 –0,14 –0,13 0,00 +0,35 +0,80 +0,85 +1,20 +1,41 Ox z ·e–+ B3 Spannungsreihe der Metalle und ihre Standard -Elektrodenpotenziale Die Spannung zwischen zwei Halbzellen ergibt sich aus der Differenz der Potenziale der Halbzellen (vgl. S. 69). Da nur Potenzialdifferenzen gemessen werden können, benötigt man für die Angabe des Potenzials eines be stimmten Redoxpaares eine Bezugs-Halbzelle, einen „Nullpunkt“ auf der Zahlenachse der Redoxpotenziale. International ist man übereingekommen, als Bezugssystem die Standard-Wasserstoff-Halbzelle festzulegen, in der das Redoxpaar H2/2 H+ vorliegt: H2(g) 2 H+(aq) + 2 e– Da man keine Elektrode aus Wasserstoffgas bauen kann, verwendet man eine Elektrode aus einem inerten1 Platinblech (Pt), das in Salzsäure mit der Wasserstoff-Ionenkonzentration von c(H+) = 1 mol/L von Wasserstoffgas unter Atmosphärendruck (p = 1013 hPa) umspült wird (V2, B1). Die Oberfläche des Platins adsorbiert Wasserstoff, der so für das Redoxpaar bereitgestellt wird. Statt einer Wasserstoff umspülten Platin-Elektrode kann man durch Elektrolyse einer Säure-Lösung eine vereinfachte Standard-Wasserstoff-Elektrode herstellen. Dabei werden Wasserstoff-Ionen H+ am Minuspol der Elektrolysezelle zu Wasserstoff-Molekülen reduziert (V2 und V3, B2). Für das Potenzial der Standard-Wasserstoff-Halbzelle hat man festgelegt: E°(2 H+/H2(Pt)) = 0,0 Volt. Die unter Standardbedingungen, Druck p = 1013 hPa, Temperatur q = 25°C, Konzentrationen c = 1 mol/L, gemessene Potenzialdifferenz zwischen einer Halbzelle Me/Mez+ und der Standard-WasserstoffHalbzelle bezeichnet man als Standard-Elektrodenpotenzial2 oder Redox-Standardpotenzial E° des Redoxpaares Me/Mez+: E°(Me/Mez+). Ein Redoxpaar, das gegenüber der Standard-Wasserstoff-Halbzelle den elektrisch negativen Pol bildet, erhält einen negativen Potenzialwert, ein Redoxpaar, das gegenüber der Standard-Wasserstoff-Halbzelle den elektrischen Pluspol bildet, erhält einen positiven Potenzialwert. In V2 und V3 misst man für die galvanische Zelle Zn/Zn2+// 2 H+/H2 eine Spannung von U = 0,76 V, wobei die Zink-Halbzelle den elektrisch negativen Pol bildet. Das Standard-Elektrodenpotenzial des Redoxpaares Zn/Zn2+ ist also: E°(Zn/Zn2+) = – 0,76 V. Das Potenzial des Redoxpaares Cu/Cu2+, das der Spannung der galvanischen Zelle H2/2 H+// Cu2+/Cu entspricht, ist demnach E°(Cu/Cu2+) = + 0,35 V. Die StandardElektrodenpotenziale einiger Redoxpaare sind in B3 zusammengefasst. Standardpotenziale und Spannungsreihe der Metalle 1 inert von iners (lat.) = untätig; hier in der Bedeutung von „chemisch inaktiv“ 2 Zum Vergleich: Man spricht von der Höhendifferenz zwischen dem Gipfel eines Berges und dem Tal, aber von der Höhe eines Berges, die die Höhendifferenz zwischen dem Gipfel und dem „Bezugspunkt“ Meereshöhe ist. Aufgaben A1 Geben Sie die Zellendiagramme folgender Redoxpaare in Kombination mit der Standard-WasserstoffElektrode an: Cd/Cd2+; Ni/Ni2+; Au/Au3+; Cr/Cr3+. A2 Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen der Teilreaktionen an den Elektroden und der Gesamt reaktionen in den Zellen von A1. A3 Benennen Sie aus der folgenden Auswahl von Teilchen das stärk s te/schwächste Oxidations-/Reduktionsmittel: Co, Ag, Fe2+, Li+, K, Au. Fachbegriffe Standard-Wasserstoff-Halbzelle, Standard-Elektrodenpotenzial, Spannungsreihe 3377_01_01_2012_Kap2_058_123 24.09.14 12:10 Seite 71 Nu r z u Pr üf zw ec ke n Ei ge nt um d e C .C . B uc hn er V er la gs