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2025-02-16T12:23:14Z

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[[Datei:Konzentrationselement Kupfer.png|mini|250px|Kupfer-Konzentrationselement]]
Ein '''Konzentrationselement''' (auch '''Konzentrationszelle''' oder '''Konzentrationskette''') ist eine [[galvanische Zelle]], in der aufgrund [[Chemische Reaktion|chemischer Reaktionen]] ähnlich einer [[Batterie (Elektrotechnik)|Batterie]] eine nutzbare [[elektrische Spannung]] entsteht.

Das Besondere an einer solchen Konzentrationskette ist, dass sie aus zwei [[Halbzelle]]n besteht, die gleichartig aufgebaut sind und sich nur in der [[Elektrolyt]][[Konzentration (Chemie)|konzentration]] unterscheiden. Die beiden [[Elektrode]]n bestehen also aus dem gleichen Material, und die Elektrolyte enthalten die gleichen [[Ion]]en<nowiki></nowiki>sorten. Die [[chemische Reaktion]] in der einen Halbzelle ist daher bei [[Stromfluss]] die Umkehrung der Reaktion in der anderen. Da die beiden Halbzellen jedoch die Tendenz haben, die [[Stoffmengenkonzentration|Konzentrationen]] anzugleichen, entsteht dennoch eine messbare Spannung.

Die Konzentrationskette dient heute vor allem zu Demonstrationszwecken, da man mit ihr die Konzentrationsabhängigkeit des [[Elektrodenpotential]]s bzw. des [[Chemisches Potential|chemischen Potentials]] qualitativ zeigen und quantitativ überprüfen kann. Dadurch kann man sie nutzen, um die [[Nernst-Gleichung]] herzuleiten.

== Beispiel: Metall-Auflösung und -Abscheidung ==
Häufig werden Konzentrationszellen benutzt, bei denen Metallelektroden in [[Lösung (Chemie)|Lösungen]] eines [[Salze]]s desselben Metalls tauchen, z. B. [[Zinkelektrode]]n in Zinksalzlösungen, Eisenelektroden in Eisenchloridlösungen oder Kupferelektroden in Kupfersulfatlösung. Dann wird in der einen Zelle das Metall in Lösung gehen, in der anderen wird es wieder abgeschieden. Da sich beim Stromfluss die Konzentrationen angleichen, wird sich das Metall in der Halbzelle mit dem verdünnten [[Elektrolyt]]en lösen und in derjenigen mit dem konzentrierteren abscheiden.

Schließt man die Zelle kurz, so dass Strom fließen kann und die Reaktionen stattfinden können, wird Folgendes ablaufen:

Auf der Seite mit der verdünnteren Lösung wird das Metall der Elektrode unter Abgabe von Elektronen zu Metallionen oxidiert; es geht als Ionen in die verdünnte Lösung über und erhöht die Konzentration in der Halbzelle. Aufgrund der Elektronenabgabe ist dies die negative Elektrode, der Minuspol. Da hier eine [[Oxidation]] erfolgt, ist es definitionsgemäß die [[Anode]]. Wie bei den Batterien ist also hier der Minuspol die Anode. Die freiwerdenden Elektronen wandern über einen elektrischen Leiter zur anderen Elektrode. Dort reduzieren sie die in der konzentrierten Lösung vorhandenen Metallionen zu elementarem Metall, das sich an der Elektrode anlagert. Aufgrund der [[Reduktion (Chemie)|Reduktion]] ist dies die [[Kathode]]. Da die Metallionen eine positive Ladung mitbringen, wenn sie sich anlagern, ist dies der Pluspol. Die Konzentration dieser Halbzelle sinkt. Der Konzentrationsausgleich zwischen den beiden Halbzellen erfolgt über eine [[Salzbrücke]]. Diese Salzbrücke ist so konzipiert, dass sie nach Möglichkeit weder Elektronen, noch die positiv geladenen Metallionen (Kationen) hindurchlässt. Die einzigen Teilchen, die hindurchgelassen werden, sind die negativ geladenen Anionen, die in der Salzlösung vorliegen. Die Konzentrationen beider Halbzellen nähern sich somit einander an, bis kein Konzentrationsunterschied mehr besteht. Auf diese Weise wird der Stromkreis geschlossen.

== Berechnung der Spannung ==
Zur Berechnung der [[Elektrostatik #Potential und Spannung|Potentialdifferenz]] <math>U</math> der galvanischen Zelle kann man die [[Nernst-Gleichung]] benutzen. Da das [[Standardpotential]] (siehe [[Elektrochemische Spannungsreihe]]) der beiden Halbzellen gleich ist, lässt sich die Nernst-Gleichung zum folgenden Term vereinfachen:

:<math>U = \frac{R \cdot T}{z\cdot F}\cdot \ln\left(\frac{c_\mathrm{A}}{c_\mathrm{D}}\right)</math> , mit <math>c_\mathrm{A} > c_\mathrm{D}</math>.

mit:
* der [[Universelle Gaskonstante|universellen oder molaren Gaskonstante]] <math>R</math> = 8,31447 [[Joule|J]]·[[mol]]−1·[[Kelvin|K]]−1 = 8,31447 [[Coulomb|C]]·[[Volt|V]]·mol−1·K−1
* der [[absolute Temperatur|absoluten Temperatur]] <math>T</math> (= Temperatur in [[Kelvin]])
* der [[Faraday-Konstante]] <math>F</math> = 96485,34 C·mol−1 = 96485,34 J·V−1·mol−1
* der Anzahl <math>z</math> der Übergangselektronen pro [[Oxidation]]/[[Reduktion (Chemie)|Reduktion]] (s. auch [[Äquivalentzahl]])
* der Elektrolytkonzentration <math>c_\mathrm{A}</math> in der [[Akzeptorhalbzelle]] ([[Kathode]])
* der Elektrolytkonzentration <math>c_\mathrm{D}</math> in der [[Donatorhalbzelle]] ([[Anode]])
* dem [[natürlicher Logarithmus|natürlichen Logarithmus]] <math>\ln</math>.

Bei Temperaturen zwischen 21,7 °C und 26,7 °C ergibt sich daraus die Gleichung

:<math>U = \frac{0{,}059\ \mathrm{V}}{z}\cdot\log\left(\frac{c_\mathrm{A}}{c_\mathrm{D}}\right)</math> , mit <math>c_\mathrm{A} > c_\mathrm{D}</math>;

weitere Zahlenwerte sind im Artikel [[Elektrodensteilheit]] angegeben.

Im Falle <math>c_\mathrm{A}</math> = <math>c_\mathrm{D}</math> sind die Halbzellen gleich. Es gibt keinen Potentialunterschied zwischen den Elektroden, und die zwischen den Halbzellen messbare Spannung ist 0 V.

== Weblinks ==
* {{Webarchiv |url=http://www.ipkm.tu-bs.de/fileadmin/user_upload/documents/pharma/C5.pdf |wayback=20130718031905 |text=Konzentrationselement}} (PDF-Datei; 97 kB)
* {{Webarchiv |url=http://www.ps-chemieunterricht.de/jg12/ec/konzelem.htm |archive-is=20130211144342 |text=Versuch Chemie}}
* [https://www.hoffmeister.it/chemie/23-elektrochemie-III-die_nernstgleichung_und_ihre_anwendung.pdf Konzentrationsabhängigkeit] (PDF-Datei; 192 kB)

{{Navigationsleiste Galvanische Zellen}}

[[Kategorie:Primärbatterie]]

Konzentrationselement - Versionsgeschichte

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