Ein Nullpunkt für alle Halbzellen
Ein Voltmeter misst immer nur die Spannung zwischen zwei Halbzellen. Deshalb misst man jede Halbzelle gegen dieselbe Bezugshalbzelle.
- Spannung:Potenzialdifferenz zwischen zwei Halbzellen; das Potenzial einer einzelnen Halbzelle ist nicht messbar.
- Bezugshalbzelle:festgelegter Nullpunkt, gegen den alle anderen Halbzellen gemessen werden — wie der Meeresspiegel für Höhenangaben.
- Standard-Wasserstoffelektrode:Halbzelle mit dem Redoxpaar \(\ce{H2}/\ce{H3O+}\): \(\ce{H2 + 2 H2O}\) \(\ce{<=> 2 H3O+ + 2 e-}\).
- Platinelektrode:platiniert, d. h. mit fein verteiltem Platin überzogen (große Oberfläche); sie leitet die Elektronen und reagiert selbst nicht.
- Glasglocke:hält den Wasserstoff am Platin; das Blech taucht zugleich in Gas und Lösung.
- Standardbedingungen:\(p(\ce{H2}) = 1013\,\mathrm{hPa}\), \(c(\ce{H3O+}) = 1\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\), \(\vartheta = 25\,{}^\circ\mathrm{C}\).
Standard-Wasserstoffelektrode: Ihr Potenzial ist festgelegt auf \(E^\circ = 0\,\mathrm{V}\) — sie ist der Nullpunkt aller Standardpotenziale.
Zerlege die Wasserstoffelektrode: Ziehe jedes Teil nach rechts heraus (oder Tab, dann Enter bzw. Pfeiltasten). Das Becherglas lässt sich erst lösen, wenn nichts mehr darin steckt. Setze danach alles wieder zusammen und miss gegen eine Kupfer- oder Zink-Halbzelle.
Halte fest: Erst wenn Platin, Wasserstoff bei 1013 hPa, Säure mit c(H3O+) = 1 mol/L und 25 °C zusammenkommen, gilt E° = 0 V — dann zeigt das Voltmeter direkt das Standardpotenzial der anderen Halbzelle.
Das Standardpotenzial messen
Schaltet man eine Metallhalbzelle gegen die Standard-Wasserstoffelektrode, zeigt das Voltmeter ihr Standardpotenzial.
- Messaufbau:Wasserstoffelektrode und Metallhalbzelle (\(c = 1\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\), \(25\,{}^\circ\mathrm{C}\)), verbunden über einen Stromschlüssel und ein Voltmeter.
- Standardpotenzial \(E^\circ\):Spannung einer Halbzelle unter Standardbedingungen gegen die Standard-Wasserstoffelektrode, mit Vorzeichen.
- Positives \(E^\circ\):Die Halbzelle ist Pluspol; Wasserstoff gibt Elektronen ab. Kupfer: \(\ce{Cu^2+ + 2 e- -> Cu}\), \(E^\circ = +0{,}34\,\mathrm{V}\).
- Negatives \(E^\circ\):Die Halbzelle ist Minuspol; das Metall gibt Elektronen ab. Zink: \(\ce{Zn -> Zn^2+ + 2 e-}\), \(E^\circ = -0{,}76\,\mathrm{V}\).
Standardpotenzial: \(E^\circ\) ist die Spannung einer Halbzelle gegen die Standard-Wasserstoffelektrode — positiv, wenn sie Pluspol ist, negativ, wenn sie Minuspol ist.
Allgemeine Hinweise
Null gilt nur für das Paar
\(E^\circ = 0\,\mathrm{V}\) ist dem Redoxpaar \(\ce{H2}/\ce{H3O+}\) zugeordnet — nicht dem Platin. Platin ist nur der Elektronenleiter.
Vorzeichen = Pol
Ist die Metallhalbzelle Pluspol, ist \(E^\circ\) positiv; ist sie Minuspol, negativ. So liest du aus dem Vorzeichen, wer Elektronen abgibt.
Bedingungen einhalten
Weichen Druck, Konzentration oder Temperatur ab, liefert die Elektrode nicht mehr genau \(0\,\mathrm{V}\) — der Messwert ist dann kein Standardpotenzial.