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Elektrochemische Spannungsreihe 13:39 min

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Transkript 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.

3 Kommentare
  1. Super verständlich erklärt! Sehr hilfreich

    Von Katrin Korndoerfer, vor 2 Monaten
  2. Richtig krasses viedii sowas lernt man nicht in der Schule

    Von Elchundreh, vor etwa 6 Jahren
  3. Sehr hilfreich, vielen Dank!
    Dieses Video sollte definitiv auch bei "Chemie für Mediziner" bei Oxidation und Reduktion verlinkt werden...

    PS: Schöne Handschrift!

    Von Bs1985, vor mehr als 7 Jahren

Elektrochemische Spannungsreihe Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Elektrochemische Spannungsreihe kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe, auf welche Weise ein Potential zustande kommt.

    Tipps

    Wann lässt sich ein Potential beobachten?

    Damit sich ein Potential bilden kann, wird die reduzierte und oxidierte Form des Metalls benötigt.

    Lösung

    Um das Potential eines Metalls zu messen, wird das elementare Metall in seiner Salzlösung betrachtet. Es wird also z.B. ein Kupferstab in eine Kupfersulfat-Lösung getaucht. Es bildet sich ein Potential zwischen dem elementarem Kupfer und den Kupferionen aus.

    Dieses Potential hängt von mehreren Faktoren ab. Beim Standardpotential wurde eine Konzentration von 1 mol/l, eine Temperatur von 298 K und ein Druck von 1013 mbar als Reaktionsbedingungen festgelegt.

  • Gib an, ob die Metalle edel oder unedel sind.

    Tipps

    Edle Metalle reagieren nicht mit nichtoxidierenden Säuren.

    Lösung

    Die Standardwasserstoffzelle ($E_0=0V$) teilt die Reihe der Metalle in edel und unedel.

    • Die edlen Metalle haben positive Standardpotentiale. Sie reagieren nicht mit nichtoxidierenden Säuren. Ihre Ionen nehmen leicht Elektronen auf und sind somit gute Oxidationsmittel.
    • Die unedlen Metalle haben negative Standardpotentiale. Sie geben leicht Elektronen ab und sind daher gute Reduktionsmittel.

  • Bestimme die Standardpotentiale folgender Metalle.

    Tipps

    Edle Metalle haben ein positives Potential, unedle haben ein negatives Potential.

    Lösung

    Die Elektrochemische Reihe listet die Standardpotentiale der Metalle im Vergleich zur Wasserstoffelektrode auf. Wasserstoff hat dabei das Potential 0. Die Metalle, die eine Spannung über 0 aufweisen, werden als edel bezeichnet. Je größer das Potential, desto edler sind die Metalle. Du kannst sie gut an ihren Eigenschaften erkennen. So reagieren die edlen Metalle nicht mit Säuren und lassen sich nur schwer oxidieren. Die Metalle, die ein kleineres Potential als 0 aufweisen, werden als unedel bezeichnet. Diese lassen sich leicht oxidieren und reagieren gut mit Säuren.

  • Erkläre die Reaktion zwischen Zink und Salzsäure.

    Tipps

    Das Standardpotential von Zink ist -0,76 V.

    Edle Metalle haben ein Standardpotential größer als Null, unedle Metalle haben ein Standardpotental kleiner als Null.

    Lösung

    Zink gehört zu den unedlen Metallen. Sein Standardpotential ist also kleiner als Null. Unedle Metalle lassen sich unter anderem daran erkennen, dass sie mit nichtoxidierenden Säuren, wie der Salzsäure, reagieren.

    Bei der Reaktion entstehen das entsprechende Metallsalzchlorid und Wasserstoff. Da die Chloride meist gut wasserlöslich sind, nimmt man nur das scheinbare Verschwinden des Zinks wahr. Gleichzeitig entsteht Wasserstoff, was sich gut an der Gasentwicklung erkennen lässt.

    Da die unedlen Metalle sehr reaktiv sind, findet man sie in der Natur nur in Form von Erzen vor. Hier liegen die Metalle in Salzen vor und nicht in Reinform. Nur Edelmetalle, wie Gold oder Silber, können in der Natur in Reinform (also als elementares Metall) gefunden werden.

  • Ermittle das Potential der folgenden Metalle.

    Tipps

    Edelmetalle werden auch zur Herstellung von Schmuck und Geld verwendet.

    Lösung

    Je höher das Potential eines Metalles, desto edler ist es auch. Die Alkali- und Erdalkalimetalle haben sehr niedrige Potentiale und sind damit also unedel.

    Die Münzmetalle Kupfer, Silber und Gold hingegen sind edel. Edle Metalle erkennst du auch daran, dass sie nicht mit Säuren reagieren.

  • Erkläre die Reaktion zwischen Zink und Kupfersulfat.

    Tipps

    Welches Metall steht in der Spannungsreihe weiter links?

    Lösung

    Wird ein Metallstab in eine Metallsalzlösung gehalten, dann findet nur dann eine Reaktion statt, wenn das edlere Metall reduziert und das unedlere Metall oxidiert wird. In diesem Fall wird also das unedlere Zink oxidiert und es gehen Zinkionen in Lösung. Gleichzeitig werden die Kupferionen des edleren Kupfers reduziert. Das elementare Kupfer kannst du dann als rot-orangen Überzug am Zinkstab erkennen.

    Wird der Versuch anders herum aufgebaut, wird also ein Kupferstab in eine Zinksalzlösung gestellt, lässt sich keine Reaktion beobachten. Man spricht dann auch davon, dass die Reaktion nicht freiwillig abläuft. Soll diese Reaktion stattfinden, muss man sie erzwingen, indem man Energie zuführt. Dies geschieht in Form von elektrischer Energie, indem man eine Spannung anlegt. Nun läuft der Umkehrprozess dieser Redoxreaktion ab – man nennt diese Form von erzwungener Redoxreaktion Elektrolyse.