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Nernst-Gleichung und die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials

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Chemie-Team
Nernst-Gleichung und die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials
lernst du in der Sekundarstufe 3. Klasse - 4. Klasse - 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse

Grundlagen zum Thema Nernst-Gleichung und die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials

Nernst-Gleichung

Hast du dich schon einmal gefragt, wie genau ein pH-Meter zur Messung des pH-Werts funktioniert? Oder wie man die Spannung einer Batterie ermittelt? In beiden Fällen hilft dir die Nernst-Gleichung. Was man darunter versteht und wie man sie anwendet, lernst du im Folgenden.

Was ist die Nernst-Gleichung? – Definition

Die Nernst-Gleichung ist eine Formel zur Berechnung des Elektrodenpotenzials, das dir Auskunft über die elektrische Spannung gibt, die eine Elektrode liefert. Du kannst damit die elektrische Spannung ermitteln, die z. B. eine Batterie hat.

Das Elektrodenpotenzial besitzt eine Konzentrationsabhängigkeit von dem Redoxpaar. Einfach erklärt ändert sich das Elektrodenpotenzial bei Änderung der Konzentration des Redoxpaars. Eine Erklärung der Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials ist dir mit Blick auf die Nernst-Gleichung gegeben.

Die historische Nernst-Gleichung wurde von Walther Nernst hergeleitet und ist dir hier gezeigt:

$E = E°+ \frac{RT}{zF} \cdot ln\frac{c_{ox}}{c_{red}}$

mit

  • $E$ = Elektrodenpotenzial, ablesbar aus der elektrochemischen Spannungsreihe
  • $E°$ = Standardelektrodenpotenzial
  • $R$ = universelle Gaskonstante; $\ce{R= \pu{8,314 J//mol*K}}$
  • $T$ = absolute Temperatur in Kelvin
  • $z$ = Anzahl der übertragenen Elektronen
  • $F$ = Faraday-Konstante; $F = \pu{96485,3365 C//mol}$
  • $c_{Ox}$ = Konzentration oxidierte Form
  • $c_{Red}$ = Konzentration reduzierte Form

Was ist ein galvanisches Element? – Definition

Du kannst ein galvanisches Element auch galvanische Zelle oder galvanische Kette bezeichnen. Unter den Begriffen des galvanischen Elements wird jede Kombination von zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten verstanden.
Die Oxidationsreaktion und die Reduktionsreaktion werden räumlich voneinander getrennt. Die Elektroden, die sich in jedem Halbelement befinden, sind über ein Kabel und eine Elektrolytbrücke miteinander verbunden. Durch den Elektronenfluss von einer zur anderen Elektrode ergibt sich ein Stromfluss. Das galvanische Element kann chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Also erhältst du Energie in Form von Spannung bzw. des Elektrodenpotenzials, weil eine Oxidations- und eine Reduktionsreaktion abläuft. Die Spannung ist dabei von der Art der verwendeten Metalle, ihren Standardpotenzialen und der Konzentration der Ionen in der Elektrolytlösung abhängig. Eingesetzt wird das galvanische Element z. B. in Batterien oder Akkumulatoren.

Galvanisches Element am Beispiel von Zink und Kupfer

Im Folgenden wird dir am Beispiel des galvanischen Elements von Zink und Kupfer der Aufbau, das Funktionsprinzip und der Reaktionsvorgang erklärt. Das galvanische Element mit Zink und Kupfer wird auch Daniell-Element genannt. Beginnend mit dem Aufbau liegt die Zink- sowie die Kupferelektrode jeweils in einem Halbelement vor. Die beiden Halbelemente sind räumlich voneinander getrennt. Verbunden sind die beiden Halbelemente über eine Salzbrücke (eine Röhre mit Salzlösung). Die Anode ist negativ und die Kathode positiv gepolt. In jedem Halbelement befindet sich eine Elektrolytlösung. Die Elektrode Zink liegt in einer Zinksulfatlösung und die Elektrode Kupfer liegt in einer Kupfersulfatlösung in dem jeweiligen Halbelement vor. Die Salzbrücke ist durchlässig für die negativ geladenen Ionen $\ce{SO4^{2-}}$.
Die beiden Elektroden aus Zink und Kupfer sind über ein Kabel miteinander verbunden. Dazwischen wird ein Voltmeter geklemmt, um die Spannung bzw. das Elektrodenpotenzial zu messen. Die Elektronen wandern von der Anode zur Kathode – also von der Zink- zur Kupferelektrode. Diese Wanderung der Elektronen von der einen zur anderen Elektrode ist der Grund für das Erhalten einer Spannung.
In dem Halbelement der Zinkelektrode (Halbelement eins) findet eine Oxidationsreaktion von elementarem Zink zu Zinkionen statt.
$\ce{Zn -> Zn^{2+} + 2e-}$
In dem Halbelement Kupferelektrode (Halbelement zwei) läuft eine Reduktionsreaktion von Kupferionen zu elementarem Kupfer ab.
$\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}$
Der Aufbau, die Funktionsweise und die ablaufenden Reaktionen kannst du in dem unten stehenden Bild sehen. Dort sind dir ebenso zwei Eselsbrücken gezeigt, wie du die Anode und Kathode dem Minus- und Pluspol zuordnen kannst.

Galvanisches Element Daniell Element

Anwendung der Nernst-Gleichung am Beispiel des Daniell-Elements

Du hast bisher das galvanische Element am Beispiel von Zink und Kupfer kennengelernt. Anhand dieses Beispiels wird dir nun die Anwendung der Nernst-Gleichung und dessen Herleitung gezeigt.
Die Konzentration für die Kupfer- und Zinkionen und die Temperatur sind dir gegeben. Weil es sich bei Zink und Kupfer um elementare Stoffe handelt, wird die Konzentration des reduzierten Stoffs ($c_{Red}$) immer auf $\pu{1 mol//l}$ festgelegt. Das Standardelektrodenpotenzial für die beiden Elemente Zink und Kupfer kannst du in der Spannungsreihe ablesen. Die Werte für die universelle Gaskonstante und die Faraday-Konstante $F$ kannst du dem Tafelwerk entnehmen. Um die Spannung des galvanischen Elements mithilfe der Nernst-Gleichung zu berechnen, folgst du den fünf Schritten:

1. Schritt: Schreibe dir auf, welche Angaben dir bekannt oder gegeben sind.
$\ce{Cu^{2+}/Cu}$:

  • $\ce{c_{Ox} (Cu^{2+}}) = \pu{0,5 mol//l}$
  • $\ce{c_{Red} (Cu)} = \pu{1 mol//l}$
  • $\ce{E°} = \pu{0,35 V}$

$\ce{Zn^{2+}/Zn}$

  • $\ce{c_{Ox} (Zn^{2+}}) = \pu{0,3 mol//l}$
  • $\ce{c_{Red} (Zn)} = \pu{1 mol//l}$
  • $\ce{E°} = \pu{-0,79 V}$

$R= \pu{8,314 J//mol*K}$
$F = \pu{96485,3365 C//mol}$
$T= \pu{293,15 K}$
$z = 2$

2. Schritt: Stelle die Nernst-Gleichung auf.

$E = E°+ \frac{RT}{zF} \cdot ln\frac{c_{ox}}{c_{red}}$

3. Schritt: Forme die Nernst-Gleichung um, indem du in diese die Werte für $\ce{R, T, F}$ einsetzt. Außerdem formst du den natürlichen Logarithmus ($\ce{ln}$) in den dekadischen Logarithmus ($\ce{log}$) mithilfe des Faktors $\pu{2,303}$ nach $\ce{ln(x) = 2,303 * log(x)}$ um.

$E = E°+ \frac{\pu{0,059 V}}{z} \cdot log (c_{Ox})$

4. Schritt: Berechne jeweils für Kupfer und Zink die Halbzellenspannung, indem du die Werte aus Punkt eins in die umgeformte Nernst-Gleichung aus Punkt drei einsetzt.

$\ce{Cu2+ + 2e- -> Cu}$ $\ce{Zn -> Zn2+ + 2e-}$
$E = \pu{0,35 V} + \frac{\pu{0,059 V}}{2} \cdot log \pu{0,5 mol//l}$
${E = \pu{0,3411 V}}$
$E = \pu{-0,76 V} + \frac{\pu{0,059 V}}{2} \cdot log \pu{1 mol//l}$
${E = \pu{-0,775 V}}$

5. Schritt: Um die Spannung bzw. das Elektrodenpotenzial für das galvanische Element zu berechnen, subtrahierst du die Halbzellenspannung des unedleren Elements – also von Zink – von der Halbzellenspannung des edleren Elements – also von Kupfer.

$U = E_{Kupfer} - E_{Zink} = \pu{0,3411 V} - \pu{(-0,775 V) = \pu{1,12 V}}$

Das galvanische Element aus Kupfer und Zink produziert folglich eine Spannung von 1,12 V.

Nernst-Gleichung – Zusammenfassung

Du hast in diesem Video gelernt, was die Nernst-Gleichung ist und von welchen Faktoren die Spannung abhängig ist. Aus der Formel der Nernst-Gleichung kannst du entnehmen, dass die Spannung eines galvanischen Elements abhängig von der Ionenkonzentration, der Art der Metalle, der Standardpotenziale und der Temperatur ist. Du hast die Herleitung, Anwendung und Interpretation der Nernst-Gleichung kennengelernt.
In der Chemie liegt eine Konzentrationsabhängigkeit vom Elektrodenpotenzial vor, was an dem Beispiel des Daniell-Elements verdeutlicht wurde. Mit den Angaben über die Ionenkonzentration in den Halbelementen kannst du die Spannung des galvanischen Elements berechnen.
Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Transkript Nernst-Gleichung und die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials

Hallo! Akkus und Batterien machen uns das Leben leichter. Durch sie wird Strom transportabel. Grundprinzip dieser Systeme ist immer ein galvanisches Element. Wir wollen uns heute ansehen, welche Zusammenhänge es in so einem galvanischen Element gibt und wie sich die Konzentration der Ionen auf die Spannung auswirkt. Hilfsmittel zur Berechnung ist die Nernstsche Gleichung, die ich euch heute näher vorstellen möchte. Als erstes wollen wir uns nochmal ein galvanisches Zelle anschauen. Bekanntestes Beispiel ist das Daniell-Element. Dieses besteht aus zwei Halbzellen, in denen zwei Elektroden aus unterschiedlichen Metallen in eine Elektrolytlösung tauchen. Das Daniell-Element besteht aus einer Kupfer- und einer Zink-Elektrode, welche jeweils in eine Kupfersulfat- bzw. eine Zinksulfat-Lösung tauchen. Nun weißt du ja bereits, dass die chemischen Reaktionen, die einem galvanischen Element zugrunde liegen, Redoxreaktionen sind. Das bedeutet, es werden Elektronen aufgenommen und abgegeben. Mit dem Elektronenfluss, der hier entsteht, ist man in der Lage elektrische Geräte für einen gewissen Zeitraum mit Strom zu versorgen. Im Fall des Daniell-Elements werden zweiwertige Kupferionen zu elementarem Kupfer reduziert. Bei diesem Prozess werden also 2 Elektronen benötigt. Außerdem wird elementares Zink zu zweiwertigen Zink-Ionen oxidiert, wobei die 2 Elektronen frei werden.

Wir wollen uns nun anschauen, welchen Einfluss die Konzentrationen der Ionen, welche sich in der Lösung befinden, auf die erzeugte Spannung haben. Dies kannst du mit der Nernstschen Gleichung ganz leicht überprüfen.

Mit dieser Gleichung lässt sich das Potential E eines galvanischen Elements berechnen. Zunächst benötigen wir das Standardpotenzial der verwendeten Redoxpaare E null. Diese lassen sich der elektrochemischen Spannungsreihe entnehmen. Für das Redoxpaar Kupfer-zwei-plus-Kupfer beträgt es 0,34 Volt und für Zink-zwei-plus-Zink beträgt es -0,76 Volt. Als nächstes benötigst du R, die universelle Gaskonstante und F, die Faraday-Konstante. R und F kannst du dem Tafelwerk entnehmen. Mal angenommen, wir machen unsere Untersuchungen bei Raumtemperatur, man spricht auch von der Standardtemperatur, dann lässt sich für T gleich 293,15 Kelvin, also 20 °C einsetzen.

Diese Gleichung lässt sich noch ein bisschen vereinfachen. Wie du ja gesehen hast, sind R,T und F konstant. Wenn dieser Teil der Gleichung schon mal ausgerechnet wird und gleich der natürliche Logarithmus in den dekadischen umgeformt wird, ergibt sich eine Gleichung, in der dann nur noch z und die Konzentration c fehlen.

Z ist in dieser Gleichung die Anzahl der übertragenen Elektronen. Im Beispiel des Daniell-Elements sind das also 2 Elektronen, damit ist z gleich 2.

Nun können wir schon die Potentiale berechnen.

Als erstes betrachten wir die Kupfer-Halbzelle. Diese soll eine Ionenkonzentration von 0.5 mol/l besitzen. Wir setzen nun alle Werte in die Nernst-Gleichung ein. Du berechnest als erstes den dekadische Logarithmus von 0,5. Für den Logarithmus benötigst du den Taschenrechner. Dann multiplizierst du den Wert mit dem Quotienten aus 0,059 und zwei. Die zwei ist die Anzahl an Elektronen, die bei dieser Reaktion übertragen werden. Anschließend addierst du noch den Wert des Standardpotentials dazu, in diesem Fall also 0,35 Volt.

Wir erhalten einen Wert von 0,3411 V.

Als nächstes berechnen wir das Potential der Zink-Halbzelle. Die Ionenkonzentration in dieser Zelle soll 0,3 mol/l betragen.

Setzen wir wieder alle unsere Werte in die Nernst-Gleichung ein. Du berechnest als erstes wieder den dekadische Logarithmus, diesmal von 0,3. Dann multiplizierst du den Wert mit dem Quozienten aus 0,059 und zwei. Anschließend addierst du noch den Wert des Standardpotentials also -0,76 Volt und wir erhalten einen Wert von -0,775 V.

Du hast nun die Spannungen der beiden Halbzellen. Um nun die Gesamtspannung des Elements berechnen zu können, musst du noch die Differenz bilden. Dazu subtrahierst du das Potenzial des unedleren Metalls vom Potenzial des edleren. Also rechnest du das eben berechnete Potenzial der Kupferhalbzelle minus dem Potenzial der Zinkhalbzelle.

Du setzt nun einfach die beiden berechneten Potentiale in die Gleichung ein und erhältst einen Wert von 1,12 Volt. Das bedeutet unser galvanisches Element erzeugt bei gegebener Konzentration eine Spannung von 1,12 Volt. Du hast nun also gesehen, dass die Spannung, von Batterien und Akkus nicht nur durch die Wahl der Metalle und deren Standardpotentiale bestimmt wird, sondern dass auch die Konzentrationen der Ionen die Spannung verändern. Zur Berechnung von Spannungen hast du die Nernstsche Gleichung kennen gelernt. Diese setzt sich aus den Standardpotenzialen der beteiligten Redoxpaare, aus einem konstanten Term, der Ladungszahl z und dem dekadischen Logarithmus der Konzentration zusammen. Nun kannst du ganz einfach Spannungen von galvanischen Elementen bei gegebenen Konzentrationen berechnen.

4 Kommentare
4 Kommentare
  1. Hallo Dorokurz,
    es freut uns, dass Ihnen das Video gefallen.
    Sie haben absolut recht. Die vereinfachte Gleichung gilt nur in einem Temperaturbereich zwischen 22 bis 26 °C (25 °C = 298,15 K). Der Fehler wurde vermerkt und wird baldmöglichst korrigiert.
    Vielen Dank für den Hinweis!
    Beste Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor etwa 3 Jahren
  2. Im Film wird als Standardtemperatur 20°C angegeben, tatsächlich sollten es aber 25°C sein, denn die vereinfachte Gleichung gilt bei 25°C = 278,15K.
    Sehr gut nachvollziehbare Rechenbeispiele!

    Von Dorokurz, vor etwa 3 Jahren
  3. Hallo Mrhennig156,

    edle Metalle haben die Eigenschaft, dass sie sehr reaktionsträge sind. Sie geben nur sehr schwer Elektronen ab. Im Ionenzustand sind sie aber sehr reaktiv und nehmen schnell Elektronen auf.

    Liebe Grüße aus der Redaktion.

    Von Karsten S., vor mehr als 3 Jahren
  4. Zur Übungsaufgabe 3:
    Die Textmarker sind vertauscht oder die Ergebnisse.
    ZB die edlen Elemente, die oxidiert werden sind in der Farbe rosa, im Ergebnis aber grün angezeigt- Hinweis auf Reduktion?

    Von Mrhennig156, vor mehr als 3 Jahren

Nernst-Gleichung und die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Nernst-Gleichung und die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotenzials kannst du es wiederholen und üben.
  • Erkläre die Elemente der Nernstgleichung.

    Tipps

    Einige Formelzeichen sind dir sicher bereits bekannt. T kennst du auch aus der Physik und c ist definiert als Stoffmenge je Volumen.

    Lösung

    Um mit einer Formel richtig rechnen zu können, ist es immer wichtig, auch die entsprechenden Formelzeichen zu kennen. E° ist das Standardpotential. Standard bedeutet, dass es unter Standardbedingungen gemessen wurde. R ist die universelle Gaskonstante und F die Faraday-Konstante. Beide Werte findest du im Tafelwerk. T kennst du sicher schon aus der Physik, T steht für die Temperatur. Die eckigen Klammern um eine Größe zeigen dir, dass hier die Konzentration des Stoffes gemeint ist. Das kleine z ist das Zeichen für die Anzahl der übertragenen Elektronen bei der Reaktion.

  • Formuliere die Gleichungen zum Daniell-Element.

    Tipps

    Die Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen.

    Das edlere Element wird reduziert, das unedlere wird oxidiert.

    Kupfer ist das edlere Element.

    Lösung

    Im Daniell-Element läuft ein Redoxprozess ab. Kupfer ist das edlere Element, also werden die $Cu^{2+}$-Ionen in der Lösung zu elementarem Kupfer reduziert. Dabei werden zwei Elektronen aufgenommen. Das unedlere Zink wird gleichzeitig reduziert, aus elementarem Zink entstehen $Zn^{2+}$-Ionen unter Freigabe von 2 Elektronen.

    • Oxidation: $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2 e^-$
    • Reduktion: $Cu^{2+} + 2 e^- \rightarrow Cu$

  • Bestimme bei folgenden galvanischen Elementen, welches Metall reduziert und welches oxidiert wird.

    Tipps

    Das edlere Metall wird reduziert.

    Je höher das Standardpotential, desto edler das Metall.

    Lösung

    Wenn zwei Halbzellen aus unterschiedlichen Metallen miteinander verbunden werden, wird immer das edlere Metall reduziert und das unedlere oxidiert. Je unedler ein Metall ist, desto geringer sein Standardpotential und je edler, desto höher. Die Standardpotentiale lassen sich in der elektrochemischen Spannungsreihe ablesen. Im ersten Fall ist also Silber edler als Eisen, daher wird Silber reduziert und Eisen oxidiert. Im zweiten Fall wird Kupfer reduziert und Lithium oxidiert und im dritten Fall wird Gold reduziert und Zink oxidiert.

  • Berechne das Potential in einer Kupferhalbzelle.

    Tipps

    $E = E° + \dfrac{0,059 V}{z} \cdot lg \cdot c$

    z ist die Anzahl der übertragenen Elektronen.

    Die Einheit vom Potential ist die Einheit der Spannung.

    Die Einheit ist Volt.

    Lösung

    Um die Spannung in der Halbzelle zu berechnen, setzt du die gegebenen Werte in die vereinfachte Nernstgleichung ein.

    Das Standardpotential E° ist mit 0,35 V gegeben. Die Konzentration ist mit 0,1 mol/l angegeben und die Zahl der übertragenen Elektronen beträgt bei Kupfer zwei. Nun kannst du alle Werte einsetzen:

    $E = 0,35 V + \dfrac{0,059 V}{2} \cdot lg \cdot 0,1 $

    $E = 0,32 V~$

  • Gib an, was sich mit der Nernstgleichung berechnen lässt.

    Tipps

    Die Nernstgleichung findet Anwendung bei galvanischen Elementen.

    Lösung

    Zwischen einem Metall und seiner Metallsalzlösung in einer Halbzelle entsteht ein Potential. Werden nun zwei Halbzellen miteiander verbunden, entsteht eine Differenz der Elektrodenpotenziale. Diese kannst du dann als Spannung messen. Berechnen lässt sich die Spannung in galvanischen Elementen über die Nernstgleichung.

  • Berechne die Konzentration einer Zinksalzlösung.

    Tipps

    Trage alle gegebenen Werte in die Nernstgleichung ein und stelle nach c um.

    z ist für diese Reaktion 2.

    $lg \cdot c = n$

    $10^n = c$

    Die Einheit ist mol/l.

    Lösung

    Zunächst setzt du wieder alle gegebenen Werte in die Nernstgleichung ein.

    $-0,8 = -0,76 V + \dfrac{0,059 V}{2} \cdot lg c$

    Nun kannst du anfangen, umzuformen:

    $-0,04 = \dfrac{0,059 V}{2} \cdot lg c$

    $-1,3559 = lg c$

    $c = 10^{-1,3559}$

    $c = 0,044~frac{mol}{l}$