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Der Begriff '''Wasserstoffelektrode''' (abgekürzt HE, von engl. ''hydrogen electrode'') wird allgemein für [[Elektrode]]n verwendet, an denen [[Wasserstoff]]<nowiki></nowiki>gas H2 entwickelt oder verbraucht wird. Die Wasserstoffelektrode ist ein wichtiges Hilfsmittel für [[Messung]]en in der [[Elektrochemie]] und der [[Physikalische Chemie|Physikalischen Chemie]]: Sie ist eine der wichtigsten [[Referenzelektrode]]n, d. h. sie dient zur Bestimmung des [[Elektrodenpotential|Potentials anderer Elektroden]] durch eine [[Elektrische Spannung|Spannungs]]<nowiki></nowiki>messung. Das Potential ist die wichtigste Größe zur Beschreibung des elektrochemischen Zustands einer Elektrode.

Besonders bedeutsam sind:
* die Standardwasserstoffelektrode (SHE), da ihr Potential als [[Nullpunkt]] der [[Standardpotential]]<nowiki></nowiki>-[[Elektrochemische Spannungsreihe|Skala]] definiert ist
* die Normalelektrode (NHE).
Beide werden im Folgenden genauer beschrieben.

Das Potential von Wasserstoffelektroden wird beschrieben durch die Reaktion:

:<math>2 \; \mathrm{H^+} \; + \; 2\; \mathrm{e^-} \quad \rightleftharpoons \quad \mathrm{H_2}</math>

== {{Anker|Standard-Wasserstoffelektrode}}Standard-Wasserstoffelektrode (SHE) ==
[[Datei:Standard hydrogen electrode 2009-02-06.svg|mini|Standard-Wasserstoffelektrode 1 – platinierte Platinelektrode 2 – Wasserstoffeinstrom 3 – Lösung mit Säure (H+=1 mol/l) 4 – Abschluss zur Vermeidung von Störungen durch Sauerstoff 5 – [[Reservoir]]]]
Die Standardwasserstoffelektrode ([[Englische Sprache|engl.]] {{lang|en|''Standard Hydrogen Electrode''}}, kurz SHE) ist auf eine Ionen-[[Aktivität (Chemie)|Aktivität]] von 1 [[mol]]/l und einen Wasserstoff-[[Druck (Physik)|Druck]] von 105 [[Pascal (Einheit)|Pascal]]<ref>{{Literatur |Autor=Terry Renner |Titel=Quantities, units and symbols in physical chemistry |Verlag=The Royal Society of Chemistry |Datum=2007 |ISBN=978-0-85404-433-7 |Online=https://books.rsc.org/books/edited-volume/286/Quantities-units-and-symbols-in-physical-chemistry |Abruf=2024-01-14 |DOI=10.1039/9781847557889}}</ref> bei jeder Temperatur normiert. Sie dient zunächst wie jede Bezugselektrode dem Zweck, ein genau definiertes Potential zu liefern. Darüber hinaus ist sie zur Bestimmung von Standardpotentialen besonders geeignet, da ihr Potential definitionsgemäß der Nullpunkt der Potentialskala ist. Das absolute [[Elektrodenpotential]] der Wasserstoffelektrode beträgt bei 298,15 [[Kelvin|K]] nach [[IUPAC]]-Empfehlung 4,44±0,02 [[Volt|V]].<ref>{{Gold Book|standard hydrogen electrode|S05917}}</ref>

Im Gegensatz zur Standardwasserstoffelektrode arbeitet die Normalwasserstoffelektrode (NHE = ''Normal Hydrogen Electrode'') mit der Ionen-[[Konzentration (Chemie)|Konzentration]] (und ''nicht'' der Ionen-Aktivität) des Wasserstoffs unter ansonsten gleichen Bedingungen.

=== Aufbau und Funktion ===
Das technische Problem bei einer Wasserstoffelektrode ist, dass Wasserstoff als Gas weder Elektrodenform annehmen kann [[Nichtleiter|noch elektrisch leitet]]. Daher verwendet man eine Hilfselektrode in Form eines neutralen [[Edelmetall]]s ([[Platin]]). Diese wird mit Wasserstoffgas umspült, das an der Platinoberfläche [[Adsorption|adsorbiert]] und die Elektrode mit einer hauchdünnen Schicht von [[Wasserstoffatom]]en überzieht. Somit erhält man einen „Wasserstoffblock“, der im Inneren aus Platin besteht – die Wasserstoffelektrode.

Die Standard-Wasserstoffelektrode, die den Nullpunkt der Standardpotentialskala festlegt, besteht daher aus einem platinierten (d. h. elektrolytisch mit [[Platinmohr]] überzogenem) Platin[[blech]], das in eine [[Säure]]-[[Lösung (Chemie)|Lösung]] mit einer Ionenaktivität der [[Proton (Chemie)|Protonen]] <math>\mathrm{H^+}</math> von <math>a\mathrm{[H^+]} = 1</math> eintaucht. Die Platinelektrode wird von Wasserstoffgas bei einem Druck von 105 Pascal und einer [[Temperatur]] von 298,15 K umspült. Das adsorbierte Wasserstoffgas gibt dabei gemäß obiger [[Redoxreaktion|Redoxgleichung]] [[Elektron]]en an das Platin ab, während gleichzeitig Protonen in Lösung gehen – und zwar solange, bis sich ein [[elektrochemisches Gleichgewicht]] einstellt.

Die dabei zwischen Platin und Säure-Lösung durch Ladungstrennung verursachte [[Galvani-Spannung]] nennt man das '''Standardpotential der Standard-Wasserstoffelektrode''' und wird als identisch [[Null]] definiert.

=== Bedeutung und Handhabung ===
[[Datei:Zwei Platinelektroden.png|alt=Auf Weißem Untergrund zwei metallisch glänzende Elektroden aus paltiniertem Draht. Eine liegt und ist im unteren Teil zu einer Spirale gebogen und in der oberen Hälfte gerade. Die zweite steht und besteht aus einem untersten Teil, der aus einem rund gebogenem Netz besteht, der obere Teil ist ebenfalls ein gerader Draht.|mini|Zwei verschiedene Ausführungen platinierter Platinelektroden, je ca. 18 cm lang]]
Da Standardpotentiale relativ zur Standard-Wasserstoffelektrode gemessen werden, hat diese Elektrode eine große Bedeutung für die [[Physikalische Chemie]]. Ihre Handhabung ist jedoch sehr umständlich:
* Zum einen erfordert sie den Umgang mit Wasserstoffgas, wobei durch geschlossene Gefäße die [[Knallgas]]<nowiki></nowiki>bildung vermieden werden muss.
* Eine sauerstofffreie Atmosphäre im Elektrolytgefäß ist auch nötig, da [[Sauerstoff]] das Potential der Elektrode verfälschen kann.
* Zum anderen ist eine Platinelektrode anfällig für Verunreinigungen, so dürfen keine [[Fette|Fett]]<nowiki></nowiki>spuren z. B. von [[Fingerabdruck|Fingerabdrücken]] vorhanden sein; um eine hohe [[katalytisch]]e Aktivität zu sichern, sollte sie neu platiniert werden.
* Für genaue Messungen ist zudem eine Druckkontrolle gefordert.
Aus diesen Gründen werden Wasserstoffelektroden für Routineuntersuchungen kaum verwendet, ebenso eher selten für Forschungsarbeiten, außer diese zielen darauf ab, Standardpotentiale zu bestimmen. Viel häufiger wurden [[Kalomelelektrode|Kalomel]]- oder [[Silber-Silberchlorid-Elektrode]]n (Ag/AgCl) benutzt, bei denen ''keine'' gasförmigen [[Reaktant]]en und somit auch praktisch keine Druckabhängigkeit auftritt.

Heute werden vorwiegend Ag/AgCl-Elektroden eingesetzt, um das giftige [[Kalomel]] zu vermeiden. Sie sind im Gegensatz zu Wasserstoffelektroden auch kommerziell in vielen verschiedenen Varianten messfertig erhältlich.

== Normal-Wasserstoffelektrode (NHE) ==
Im Experiment können die [[Standardbedingungen]] der SHE ''nicht'' eingestellt werden, u. a. die Aktivität der Protonen und der [[Gasdruck]] von 1013 [[hPa]].

Daher wird empfohlen, als Elektrolyt eine 1 mol/l-[[Salzsäure]] sowie Wasserstoffgas bei atmosphärischen Bedingungen einzusetzen. In diesem Fall spricht man von der Normal-Wasserstoffelektrode. Die Abweichungen zur SHE sind minimal, aber aufgrund der [[Nernst-Gleichung]] [[pH-Wert|pH]]-abhängig.

== Reversible Wasserstoffelektrode (RHE) ==
{{Hauptartikel|Reversible Wasserstoffelektrode}}
Für manche elektrochemischen Untersuchungen werden auch Wasserstoffelektroden verwendet, die bei Umgebungsdruck betrieben werden; die Wasserstoffelektroden für die [[Wasserelektrolyse]] arbeiten oft bei [[Überdruck]].

Für Untersuchungen in [[Säure]]n oder [[Alkalische Lösung|Laugen]] benutzt man manchmal auch eine Wasserstoffelektrode in derselben Lösung wie die zu messende Elektrode; sie ist ''nicht'' durch eine [[Salzbrücke]] getrennt. Auf diese Weise kann man erreichen, dass sich das gemessene Potential ''nicht'' mit dem [[pH-Wert]] ändert.

Bei der [[Elektrolyse]] von Wasser treten [[Überspannung (Elektrochemie)|Überspannungen]] auf: Die benötigte [[Zellspannung]] ist aufgrund [[Elektrochemische Kinetik|kinetischer]] Hemmung höher als die [[Gleichgewichtsspannung]]. Die Überspannung steigt mit zunehmender [[Stromdichte]] an den Elektroden. Die Messung von Gleichgewichtspotentialen erfolgt daher möglichst stromlos.

== Siehe auch ==
* [[Leerlaufspannung|Elektromotorische Kraft]]
* [[Redoxpotential]]

== Weblinks ==
{{Commons|Standard hydrogen electrode|Wasserstoffelektrode}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektrode (Elektrochemie)]]
[[Kategorie:Physikalische Chemie]]

[[ja:基準電極#標準水素電極]]

Wasserstoffelektrode - Versionsgeschichte

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