Elektrochemische Spannungsreihe

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Film geht es um die elektrochemische Spannungsreihe. Der Film gehört zur Reihe Elektrochemie. An Vorkenntnissen solltest du über Basen, Säuren und Salze sowie  Redoxreaktionen unbedingt Bescheid wissen. Im Video möchte ich dir die elektrochemische Spannungsreihe erläutern und dir ihre Bedeutung bei der Erklärung chemischer Reaktionen klar machen.

Das Video besteht aus 9 Abschnitten: 1. Metallstäbe in Salzlösungen 2. Standardpotenzial 3. Wo ist das Nullniveau? 4. Tabellierung 5. Die Reihe als Diagramm 6. Edle und unedle Metalle 7. Oxidation und Reduktion 8. Unregelmäßigkeiten in der Reihe und 9. Zusammenfassung

1. Metallstäbe in Salzlösungen. Nehmen wir einmal an, ein Zinkstab taucht in eine Kupfersalzlösung ein. In der Lösung befinden sich Kupfer-2-Ionen. Im Laufe der Zeit löst sich der Stab auf. Die Zinkteilchen bilden Zinkionen und gehen in Lösung. Andererseits bilden sich aus den Kupfer-2-Ionen Kupferteilchen, die geflockt am Zinkstab anhaften. Es entsteht elementares Kupfer. Wir stellen fest: Zink geht in Lösung, Kupfer scheidet sich ab. Ein anderer Versuch: Diesmal taucht in Kupferstab in eine Silbersalzlösung ein. In der Lösung befinden sich Silberionen. Mit der Zeit, löst sich der Kupferstab auf. Die Kupferteilchen wandeln sich in Kupfer-2-Ionen um und gehen in Lösung. Die Silberionen aus der Lösung bilden Silberteilchen, es bildet sich flockiges Silber am Kupferstab. Wir stellen fest: Silber scheidet sich ab und Kupfer geht in Lösung. Das chemische Element Kupfer verhält sich in beiden Situationen völlig unterschiedlich. Wir wollen der Frage nachgehen, warum das so ist. Im Vergleich zum Zink ist Kupfer edel. Im Vergleich zum Silber hingegen unedel. Gegenüber Zink ist Kupfer edel, da es sich aus der Kupfersalzlösung abscheidet. Gegenüber Silber ist Kupfer unedel, da es von einer Silbersalzlösung aufgelöst wird. Folglich können wir die kleine Reihe Ag>Cu>Zn formulieren. Ganz links befindet sich ein edles Metall, rechts ein unedles. Kann man diese Ergebnisse quantifizieren, sie mit Zahlen unterlegen? Man kann.

2. Standardpotenzial. Wir betrachten jeweils die oxidierte und reduzierte Form der drei Metalle, die wir betrachtet haben. Ein Silberion und ein Elektron stehen im Gleichgewicht mit einem Silberatom. Das Standardpotenzial E0 beträgt 0,80V. Ein Kupfer-2-Ion steht mit 2 Elektronen im Gleichgewicht mit einem Kupferatom. Das Standardpotenzial ist hier 0,35V. Und schließlich bildet ein Zinkion mit 2 Elektronen ein Gleichgewicht mit einem Zinkatom aus. Das Standardpotenzial beträgt hier -0,76V. Häufig setzt man vor die positiven Standardpotenziale das Vorzeichen. Wir wollen diese 3 Zahlen einmal grafisch veranschaulichen. So sieht eine maßstabsgetreue Anordnung aus. Aber woher stammen diese Werte? Derartige Potenziale erhält man, indem man in eine Salzlösung das entsprechende Metall eintaucht. Wenn das Salz der Salzlösung Kupfersulfat ist, so ist das Metall selbstverständlich Kupfer. Kupferionen stehen wieder mit atomarem Kupfer im Gleichgewicht und bilden ein Potenzial aus. Nun werden Bedingungen auferlegt: 1mol/l Kupfer-2-Ionen, die Temperatur soll 298K betragen, der Druck 1013mbar. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, so bildet sich das sogenannte Standardpotenzial heraus. Ihr habt es aber sicher schon erkannt: Es handelt sich hier um eine sogenannte Halbzelle. Strom fließt aber nur in Verbindung mit einer weiteren Halbzelle. Daher dürften die Standardpotenziale oben nur Relativwerte sein. Wäre es nicht gut, wenn wir gleich folgende Frage stellen? Wie findet man E0=0V?

3. Wo ist das Nullniveau? Wir nehmen ein Gefäß, das mit Salzsäure gefüllt ist. Es enthält folglich Wasserstoffionen. Die Konzentration soll 1mol/l betragen. Die Temperatur ist 298K. In die Lösung wird gasförmiger Wasserstoff eingeblasen. Dieser umspült eine Platinplatte. Der Druck sei wieder 1013mbar. Man bezeichnet diese Anordnung als Standardwasserstoffektrode. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Wasserstoffionen und gasförmigen Wasserstoffmolekülen ein. Das Standardpotenzial dieser Elektrode wird als 0V definiert. Wir merken uns, für Wasserstoff wird willkürlich festgelegt: EH0=0V.

4. Tabellierung. Ich möchte hier einige wichtige Standardpotenziale nennen. Gold: Gold-3-Ionen zu Goldatomen liefert E0 von +1,50V. Platin: Hier wurde ein Wert von +1,18V gemessen. Quecksilber: +0,85V. Silber: +0,80V.  Kupfer: +0,35V. Wasserstoff ist nach Definition 0V. Blei: -0,14V. Eisen: -0,44V. Aluminium: -1,66V. Der edle Charakter der Metalle fällt von oben nach unten.

5. Die Reihe als Diagramm. Die meisten Werte bewegen sich im Bereich von -3,0 bis +1,5. Im Bereich um -3 liegen die Alkalimetalle außer Natrium. Daran schließt sich Barium an, es folgen Kalzium und Natrium. Auch Magnesium liegt noch unterhalb von -2,0. Aluminium liegt schon darüber. Bei etwa -1 liegt Mangan. Eisen hat einen Wert von -0,44. Die Werte für Blei und Zinn sind leicht negativ und nun kommen wir in den positiven Bereich zu den Metallen Kupfer, Silber, Quecksilber, Platin und Gold. Es handelt sich, ich erinnere, um die Standardpotenziale in Volt. Fällt euch etwas auf? Wasserstoff liegt bei 0, das ist so festgelegt, aber ich meinte noch etwas anderes.

6. Edle und unedle Metalle. Wir haben gelernt, dass die edlen Metalle im positiven Bereich liegen, während sich die unedlen Metalle im negativen Bereich ansiedeln. Sie unterscheiden sich voneinander bezüglich des Verhaltens gegenüber nichtoxidierenden Säuren. Unedle Metalle reagieren, wie zum Beispiel Magnesium mit Salzsäure. Bei den edlen Metallen findet keine Reaktion statt. 

7. Oxidation und Reduktion. Unedle Metalle sind Reduktionsmittel. Sie geben leicht Elektronen ab, so wie Natrium bei chemischen Reaktionen. Nicht die Metalle selber, aber ihre Ionen sind vorzügliche Oxidationsmittel. Sie nehmen leicht Elektronen auf, wie zum Beispiel Silberionen. Sie bilden Silberatome. 

8. Unregelmäßigkeiten in der Reihe? Ist euch nichts aufgefallen? Warum steht denn Lithium ganz links? Und warum steht Kalzium weiter links als Natrium? Lithium ist doch edler als Cäsium, Rubidium und so weiter? Und Kalzium ist doch edler als Natrium? Die Erklärung dafür liefert die Solvatation. Die Prozesse finden in wässrigen Lösungen statt. Das Lithiumion ist sehr klein, es wird sehr gut solvatisiert. Das Kalziumion hat eine größere Ladung als das Natriumion, deshalb wird es auch besser solvatisiert. 

9. Zusammenfassung. Die elektrochemische Spannungsreihe ordnet die Metalle nach ihrem Reaktionsvermögen an. Plus bedeutet edel, das Metall reagiert nicht mit Säuren. Minus bedeutet unedel, das Metall reagiert mit Säuren. 

Ich danke für eure Aufmerksamkeit. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss.