Elektrochemische Spannungsreihe einfach erklärt

Die elektrochemische Spannungsreihe ordnet chemische Elemente, vor allem Metalle, nach ihrem Standardpotential, gemessen in Volt gegenüber einer Wasserstoff-Normalelektrode. Das Standardpotential gibt an, wie leicht ein Metall im Vergleich zu Wasserstoff Elektronen abgibt: Je negativer der Wert, desto leichter gibt das Metall Elektronen ab und desto unedler ist es.

Diese Reihenfolge ist keine willkürliche Liste, sondern beruht auf gemessenen Spannungen zwischen dem jeweiligen Metall und der Wasserstoff-Normalelektrode unter Standardbedingungen. Aus der Differenz zweier Standardpotentiale lässt sich vorhersagen, ob und wie stark eine Reaktion zwischen zwei Halbzellen freiwillig abläuft.

Ein typischer Fehler ist, die Spannungsreihe nur auswendig zu lernen, ohne den Bezug zur Elektronenabgabe zu verstehen. Entscheidend ist nicht die Reihenfolge an sich, sondern die Erkenntnis, dass das unedlere Metall in einem Kontakt immer Elektronen an das edlere Metall abgibt, niemals umgekehrt.

Ein häufiger Fehler ist, die Vorzeichen bei der Berechnung der Zellspannung zu vertauschen. Es wird immer das Standardpotential der Anode, also des unedleren Metalls, vom Standardpotential der Kathode, des edleren Metalls, abgezogen, nicht umgekehrt.

Ein zweiter Fehler ist zu glauben, ein negatives Standardpotential bedeute automatisch, dass ein Metall überhaupt nicht reagieren kann. Tatsächlich zeigt ein negatives Potential nur, dass das Metall im Vergleich zu Wasserstoff leichter Elektronen abgibt, es reagiert also besonders bereitwillig, nicht gar nicht.

Ein dritter Fehler betrifft den Vergleich außerhalb der Standardbedingungen: Die Werte der Spannungsreihe gelten nur für Standardbedingungen mit 1 mol pro Liter Ionenkonzentration bei 25 °C. Bei anderen Konzentrationen oder Temperaturen kann sich die tatsächliche Spannung verschieben.

In jeder Batterie steckt das Prinzip der Spannungsreihe: Zwei unterschiedlich edle Materialien bilden die beiden Pole, und die Differenz ihrer Standardpotentiale bestimmt die Batteriespannung. Eine Alkali-Batterie nutzt Zink und Mangandioxid, deren Potentialunterschied eine nutzbare Spannung von etwa 1,5 V erzeugt.

Auch der Korrosionsschutz von Schiffsrümpfen und Pipelines beruht auf der Spannungsreihe: An das zu schützende Eisen wird ein unedleres Metall wie Zink oder Magnesium angeschlossen, eine sogenannte Opferanode. Da das unedlere Metall bevorzugt Elektronen abgibt, korrodiert es anstelle des Eisens und muss regelmäßig ersetzt werden.

Beim Verzinken von Stahl wird derselbe Effekt genutzt: Eine dünne Zinkschicht überzieht das Eisen und opfert sich bei Beschädigung der Schicht selbst, solange noch Zink vorhanden ist. Erst wenn die Zinkschicht vollständig abgetragen ist, beginnt das darunterliegende Eisen zu rosten.

In der Klassenarbeit wirst du oft gebeten, aus zwei gegebenen Standardpotentialen die Zellspannung zu berechnen. Bestimme zuerst, welches Metall die Kathode und welches die Anode bildet: Das Metall mit dem höheren, positiveren Standardpotential ist immer die Kathode.

Wirst du gefragt, ob eine Reaktion zwischen zwei Metallen freiwillig abläuft, prüfe, ob die berechnete Zellspannung positiv ist. Nur bei einer positiven Zellspannung läuft die Reaktion tatsächlich freiwillig ab, bei einer negativen Zellspannung würde sie nur mit zugeführter Energie ablaufen, etwa bei der Elektrolyse.