Redoxpotential, Nernst-Gleichung und Spannungsreihe
Wie das Redoxpotential mit Konzentration und pH variiert und wie man aus der Spannungsreihe die Richtung einer Redoxreaktion abliest.
Das Wichtigste in Kürze
- Das Redoxpotential beschreibt die Oxidationskraft eines Redoxpaars; geordnet nach dem Standardpotential ergeben die Paare die Spannungsreihe.
- Nach der Nernst-Gleichung \(E = E^0 + \frac{0{,}059\,\text{V}}{z}\lg\frac{a_{Ox}}{a_{Red}}\) gilt \(E = E^0\) nur bei gleichen Konzentrationen beider Formen.
- Überwiegt die reduzierte Form, liegt \(E\) unter \(E^0\); \(\ce{Mn^2+}\)-Zugabe senkt das Permanganatpotential.
- Sind \(\ce{H+}\) an der Teilreaktion beteiligt, ist \(E\) pH-abhängig: Permanganat (8 \(\ce{H+}\) je 5 \(\ce{e-}\)) oxidiert im Sauren stärker, \(\ce{I3-}/\ce{I-}\) ist praktisch pH-unabhängig.
- Im Eisen-Kupfer-Element ist Eisen die Anode und korrodiert, die Elektronen fließen zum Kupfer, wo sich Kupfer abscheidet.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Redoxtitrationen beruhen darauf, dass ein Redoxpaar Elektronen an ein anderes abgibt. Wie stark ein Paar oxidiert, beschreibt sein Potential. Die Nernst-Gleichung sagt, wie es sich mit Konzentration und pH ändert, und darauf baut die Wahl von Maßlösungen wie Permanganat oder Iod auf.
Redoxreaktionen und Redoxpaare
Bei der Oxidation gibt ein Teilchen Elektronen ab, bei der Reduktion nimmt es welche auf. Oxidierte und reduzierte Form bilden ein Redoxpaar, etwa \(\ce{Fe^3+}/\ce{Fe^2+}\). Das Redoxpotential \(E\) gibt an, wie stark das Paar Elektronen anzieht. Man misst es gegen eine Bezugselektrode.
Das Standardpotential \(E^0\) gilt, wenn alle Beteiligten die Aktivität 1 haben. Nach \(E^0\) geordnet ergeben die Paare die Spannungsreihe. Die oxidierte Form eines höheren Paares oxidiert die reduzierte Form eines tieferen, so etwa Permanganat das Iodid.
Nernst-Gleichung
Das tatsächliche Potential hängt vom Verhältnis der beiden Formen ab. Streng gilt das für die Aktivitäten, in verdünnter Lösung rechnet man mit Konzentrationen. Für 25 °C gilt die Nernst-Gleichung:
\[E = E^0 + \frac{0{,}059\,\text{V}}{z}\lg\frac{a_{Ox}}{a_{Red}}\]
| Größe | Bedeutung | Einheit |
|---|---|---|
| \(E\) | Redoxpotential | V |
| \(E^0\) | Standardpotential | V |
| \(z\) | übertragene Elektronen | 1 |
| \(a_{Ox}\), \(a_{Red}\) | Aktivität von Ox- und Red-Form | mol/L |
Nur bei gleichen Konzentrationen wird der Logarithmus null und \(E = E^0\). Überwiegt die reduzierte Form, liegt \(E\) darunter. Mehr Permanganat erhöht daher das Potential von \(\ce{MnO4-}/\ce{Mn^2+}\), zugesetzte \(\ce{Mn^2+}\)-Ionen senken es. Die oxidierte Form steht immer im Zähler, sonst kippt das Vorzeichen.
- Gegeben: \(\ce{Fe^3+}/\ce{Fe^2+}\) mit \(E^0 = 0{,}77\) V und \(z = 1\), zu 80 % reduziert.
- Verhältnis: \(c_{Ox}/c_{Red} = 20/80 = 0{,}25\), also \(\lg 0{,}25 = -0{,}60\).
- Einsetzen: \(E = 0{,}77\ \text{V} - 0{,}059\ \text{V} \cdot 0{,}60 = 0{,}73\) V.
pH-Abhängigkeit
Stehen \(\ce{H+}\) oder \(\ce{OH-}\) in der Teilgleichung, gehen sie in die Nernst-Gleichung ein. Bei Permanganat kommen acht Protonen auf fünf Elektronen:
\[\ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}\]
\[E = E^0 + \frac{0{,}059\,\text{V}}{5}\lg\frac{c(\ce{MnO4-})\cdot c(\ce{H+})^8}{c(\ce{Mn^2+})}\]
Je pH-Einheit fällt \(E\) um \(0{,}059\ \text{V} \cdot 8/5 \approx 94\) mV. Permanganat oxidiert also umso stärker, je saurer die Lösung ist. Bei pH 3 ist sein Potential kleiner als bei pH 1. Allgemein bestimmt das Verhältnis Protonen zu Elektronen die Steigung.
| Redoxpaar | Protonen/Elektronen | Änderung je pH |
|---|---|---|
| \(\ce{Cr2O7^2-}/\ce{Cr^3+}\) | 14/6 | −138 mV |
| \(\ce{MnO4-}/\ce{Mn^2+}\) | 8/5 | −94 mV |
| \(\ce{H2O2}/\ce{H2O}\) | 2/2 | −59 mV |
| \(\ce{I3-}/\ce{I-}\) | 0 | praktisch keine |
Auch \(\ce{MnO2}/\ce{Mn^2+}\), Arsenat/Arsenit, \(\ce{NO3-}/\ce{NO}\), \(\ce{HCOO-}/\ce{HCHO}\), \(\ce{O2}/\ce{H2O2}\) und das Reduktionsmittel Ascorbinsäure sind pH-abhängig. Iod/Iodid im sauren Milieu und die Halogen/Halogenid-Paare wie \(\ce{Cl2}/\ce{Cl-}\) bleiben konstant, denn in \(\ce{I3- + 2e- -> 3I-}\) fehlen Protonen.
Galvanisches Element
Im galvanischen Element taucht Eisen in \(\ce{FeSO4}\)-Lösung, Kupfer in \(\ce{CuSO4}\)-Lösung. Eisen steht mit \(E^0 = -0{,}44\) V tiefer in der Spannungsreihe als Kupfer mit \(+0{,}34\) V. Es reduziert daher \(\ce{Cu^2+}\):
\[\ce{Fe + Cu^2+ -> Fe^2+ + Cu}\]
Das Eisen ist die Anode und wird oxidiert, es korrodiert. Die Elektronen fließen im äußeren Draht zum Kupfer, der Kathode. Dort werden \(\ce{Cu^2+}\)-Ionen reduziert und scheiden sich ab. Das Kupferblech korrodiert nicht. Ein Eisennagel in Kupfersulfatlösung überzieht sich ebenso mit Kupfer.
Quiz
Aussage 1
Eine Permanganatlösung hat bei pH 3 ein höheres Redoxpotential als bei pH 1.
Da acht \(\ce{H+}\) an der Reduktion beteiligt sind, fällt das Potential mit steigendem pH um etwa 94 mV je Einheit. Bei pH 3 ist es also kleiner als bei pH 1.
Aussage 2
In einer galvanischen Eisen-Kupfer-Zelle ist das Eisenblech die Anode, und die Elektronen fließen im äußeren Leiter zum Kupferblech.
Eisen steht tiefer in der Spannungsreihe, wird oxidiert und korrodiert. Am Kupfer werden \(\ce{Cu^2+}\)-Ionen reduziert.
Aussage 3
Das Redoxpotential eines Paares stimmt mit seinem Standardpotential überein, wenn oxidierte und reduzierte Form in gleicher Konzentration vorliegen.
Dann ist der Quotient 1, sein Logarithmus null und nach der Nernst-Gleichung gilt \(E = E^0\).
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.