Die elektrische Spannung in einer galvanischen Zelle lässt sich mit geeigneten Geräten messen und die Potentialdifferenz zwischen den Halbzellen somit bestimmen. Je nachdem welche Metalle eine galvanische Zelle bilden, liegt eine unterschiedliche Potentialdifferenz bzw. Spannung vor. Um vor der Messung der jeweiligen galvanischen Zelle eine quantitative Aussage über die Spannung treffen zu können, wurden für Metalle sogenannte Standartpotentiale festgelegt.
Da Metalle isoliert von anderen Stoffen keine Spannung aufbauen können, wird die Spannung als Differenz zu einer Bezugselektrode - der Normal-Wasserstoffelektrode – angegeben.
Eine Normal-Wasserstoffelektrode enthält das Metall Platin (Pt), welches mit einer einmolaren Lösung von Wasserstoff-Ionen (H+) bei einem pH-Wert von 0, einer Temperatur von 25°C und einem Druck von ca. 1 bar umspült wird. Diese Elektrode ist leicht aufzubauen und liefert ein konstantes, reproduzierbares Potential. Das Normalpotential der anderen Halbzellen wird daher immer relativ zur Normalwasserstoffelektrode gemessen.
Name des Metalls | Normalpotential |
Lithium | −3,04 |
Kalium | −2,93 |
Calcium | −2,87 |
Radium | −2,80 |
Natrium | −2,71 |
Magnesium | −2,37 |
Aluminium | −1,66 |
Titan | −1,63 |
Zink | −0,76 |
Eisen | −0,45 |
Wasserstoff | 0,00 |
Kupfer | +0,34 |
Silber | +0,80 |
Quecksilber | +0,80 |
Platin | +1,18 |
Gold | +1,69 |
Die Potentialdifferenz einer galvanischen Zelle berechnet sich aus der Differenz der beiden Halbzellenpotentiale. Unter Standardbedingung ist die Berechnung recht einfach, sie ergibt sich aus:
ΔE = E0Kathode – E0Anode
(E0 = Standardpotential einer Halbzellenreaktion. Die Standartpotentiale können jeweils der Tabelle entnommen werden.)
Für das DANIELL-Element erhält man folglich die Gleichung:
ΔE = E0Kathode – E0Anode = E0Kupfer – E0Zink
E0Kupfer – E0Zink = (+0,34V) – (-0,76V) = 1,10V
Die Kombination einer Kupfer- und einer Zinkhalbzelle liefert also eine Potentialdifferenz – eine Spannung – von 1,1 Volt. Die größte Spannung erhält man folglich, wenn man zwei Halbzellen kombiniert, die in der Spannungsreihe möglichst weit voneinander entfernt stehen.
Aufgabe:
Welche beiden Elemente der hier dargestellten Tabelle liefern die größte Spannung?
Die größte Spannung liefert eine galvanische Zelle mit Lithium und Gold. Diese sind am weitesten in der Spannungsreihe voneinander entfernt.
Wie groß ist diese Spannung?
ΔE = E0Kathode – E0Anode = E0Gold – E0Lithium
E0Gold – E0Lithium = (+1,69V) – (-3,04V) = 4,73V
Welche beiden Elemente der hier dargestellten Tabelle liefern die größte Spannung?
Die größte Spannung liefert eine galvanische Zelle mit Lithium und Gold. Diese sind am weitesten in der Spannungsreihe voneinander entfernt.
Wie groß ist diese Spannung?
ΔE = E0Kathode – E0Anode = E0Gold – E0Lithium
E0Gold – E0Lithium = (+1,69V) – (-3,04V) = 4,73V