ZirkelschlagArbeitsblätter / Themen A–Z / Chemie
Galvanische Zelle & Spannungsreihe
Chemie · Klasse 11–12 · 6 Blätter · 75 Aufgaben
LehrplanHessen: Schatzkiste der Natur · bis Ende Jg. 9/10Hessen: E.1 RedoxreaktionenHessen: Q3.3 Redoxgleichgewichte
In einer galvanischen Zelle wird eine Redoxreaktion räumlich getrennt, und die Elektronen fließen durch einen Draht. Die Spannungsreihe sagt, wohin sie fließen und wie groß die Spannung ist.
Worum es geht
Eine galvanische Zelle besteht aus zwei Halbzellen, etwa einem Zinkblech in Zinksulfatlösung und einem Kupferblech in Kupfersulfatlösung, verbunden durch einen Draht und eine Salzbrücke. Jede Halbzelle hat ein Standardpotenzial E°. Das Metall mit dem kleineren E° ist unedler: Es gibt Elektronen ab und geht als Ion in Lösung. An der anderen Elektrode nehmen Ionen diese Elektronen auf. Die Differenz der Potenziale ist die Zellspannung.
Die Regeln
| Begriff | Regel | Beispiel Zn/Cu |
|---|---|---|
| Standardpotenziale (V) | Mg −2,37 · Al −1,66 · Zn −0,76 · Fe −0,44 · Ni −0,26 · Pb −0,13 · H₂ 0,00 · Cu +0,34 · Ag +0,80 | — |
| Anode = Minuspol | kleineres E°, hier findet die Oxidation statt | Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻ |
| Kathode = Pluspol | größeres E°, hier findet die Reduktion statt | Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu |
| Zellspannung | ΔE° = E°(Kathode) − E°(Anode) | 0,34 − (−0,76) = 1,10 V |
| Nernst-Gleichung (25 °C) | E = E° + (0,059 V / z) · lg c(Ion) | Cu bei c = 0,01 mol/L: 0,281 V |
| freie Enthalpie | ΔG° = −z · F · ΔE°, F = 96 485 C/mol | z = 2: −212,3 kJ/mol |
Beispiel, Schritt für Schritt
Aufgabe: Zelle aus Zn/Zn²⁺ (E° = −0,76 V) und Cu/Cu²⁺ (E° = +0,34 V). Pole, Zellspannung und ΔG°?
| Schritt | Rechnung | Warum |
|---|---|---|
| 1 · Pole | Zn: −0,76 V < Cu: +0,34 V → Zink ist Minuspol | das unedlere Metall gibt Elektronen ab |
| 2 · Teilreaktionen | Anode: Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻ · Kathode: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu | Elektronen fließen im Draht von Zink zu Kupfer |
| 3 · Spannung | ΔE° = 0,34 − (−0,76) = 1,10 V | Kathode minus Anode ergibt immer einen positiven Wert |
| 4 · ΔG° | ΔG° = −2 · 96 485 · 1,10 J/mol = −212,3 kJ/mol | z = 2 übertragene Elektronen; negativ, weil die Reaktion freiwillig abläuft |
Der typische Fehler
Das Standardpotenzial mit dem Koeffizienten malnehmen. In der Zelle Cu/Ag lautet die Gleichung Cu + 2 Ag⁺ → Cu²⁺ + 2 Ag, und man rechnet 2 · 0,80 − 0,34 = 1,26 V. Das Potenzial ist aber eine Eigenschaft der Halbzelle, keine Menge — es bleibt gleich, egal wie viele Ionen reagieren. Richtig: 0,80 − 0,34 = 0,46 V. Die 2 taucht erst bei ΔG° als z auf.
So prüfst du dein Ergebnis
Vorzeichen und Richtung. Die Zellspannung einer galvanischen Zelle ist positiv, ΔG° negativ. Der Minuspol muss das Metall sein, das in der Spannungsreihe weiter oben (weiter im Negativen) steht, und diese Elektrode verliert Masse. Bei Nernst: Eine verdünnte Lösung senkt das Potenzial eines Metalls, eine konzentrierte hebt es.