Gleiches Paar, verschiedene Konzentrationen
- Anknüpfung (4.2.6):Das Potenzial einer Halbzelle hängt nach Nernst von der Ionenkonzentration ab.
- Konzentrationszelle:zwei Halbzellen aus demselben Redoxpaar, aber mit verschiedenen Konzentrationen, verbunden über eine Salzbrücke.
- Kathode (+):konzentriertere Lösung, höheres \(E\) — Ionen werden abgeschieden, \(c\) sinkt.
- Anode (−):verdünntere Lösung, niedrigeres \(E\) — Metall geht in Lösung, \(c\) steigt.
- Triebkraft:der Konzentrationsausgleich — insgesamt entsteht kein neuer Stoff, \(\Delta_r H \approx 0\).
Ziehe die beiden Regler an den Bechern auf und ab, um die Konzentration jeder Halbzelle einzustellen (Tastatur: Regler anwählen, ↑/↓). Beobachte Pole, Elektronenfluss und Spannung — und lass die Zelle dann entladen.
Halte fest: Die verdünnte Halbzelle ist Anode (Minuspol), die konzentrierte Kathode (Pluspol). Die Spannung hängt nur vom Verhältnis der Konzentrationen ab und sinkt beim Entladen auf null.
Spannung aus dem Verhältnis
Herleitung:
Spannung einer Konzentrationszelle (25 °C): \(U = \dfrac{0{,}059\,\text{V}}{z} \cdot \lg\dfrac{c(\text{konzentriert})}{c(\text{verdünnt})}\)
- Faustregel:pro Zehnerpotenz Unterschied \(59\,\text{mV}/z\).
- Konzentration messen:Ist eine Konzentration bekannt, liefert die gemessene Spannung die unbekannte.
- pH-Messung:zwei Wasserstoffelektroden in Lösungen verschiedener pH-Werte: \(U = 0{,}059\,\text{V} \cdot \Delta\text{pH}\).
- pH-Meter:Die Glaselektrode nutzt dasselbe Prinzip: die Spannung zwischen Innenlösung und Probe wächst linear mit \(\Delta\text{pH}\).
- Messbedingung:Spannung hochohmig, also praktisch stromlos messen — sonst verändern sich die Konzentrationen schon beim Messen.
Allgemeine Hinweise
Verdünnt ist Minuspol
Intuitiv wirkt die Seite mit „mehr Ionen“ wie der Minuspol. Es ist umgekehrt: In der verdünnten Halbzelle geht Metall in Lösung, dort bleiben Elektronen zurück.
Groß durch klein
Im Logarithmus steht die größere Konzentration im Zähler — dann ist \(U\) positiv. Absolute Werte spielen keine Rolle: 0,1 zu 0,001 ergibt dieselbe Spannung wie 1 zu 0,01.
Erst Zehnerpotenzen zählen
Den Konzentrationsunterschied in Zehnerpotenzen abzählen und mit \(59\,\text{mV}/z\) multiplizieren — so lässt sich jedes Ergebnis in Sekunden überschlagen.
