Weitere Versuche
Eisen-Atome geben freiwillig Elektronen an Kupfer-Ionen ab, während Kupfer-Atome nicht in der Lage sind, Elektronen auf Eisen-Ionen zu übertragen. Auf der letzten Seite hatten wir das Konzept des Redoxpotenzials eingeführt, mit dem wir diese Versuchsergebnisse erklären konnten: Eisen hat ein höheres Redoxpotenzial als Kupfer, daher können Elektronen "bergab" von Eisen-Atomen auf Kupfer-Ionen übertragen werden. Kupfer-Atome können dagegen keine Elektronen auf Eisen-Ionen übertragen, weil die Elektronen dann "bergauf" fließen müssten.
Diese Erkenntnisse wollen wir nun systematisieren, indem wir das Verhalten weiterer Metalle untersuchen. In der Schule stehen neben Eisen und Kupfer normalerweise die Metalle Magnesium, Zink und Silber zur Verfügung, und auch die entsprechenden Metallsalze sind in der Regel vorhanden. Wir wollen jetzt die verschiedenen Metalle systematisch in verschiedene Metallsalz-Lösungen eintauchen und beobachten, ob sich an dem jeweiligen Metall ein Niederschlag des anderen Metalls bildet.
Durchführung:
Fünf kleine Becherglas werden mit Salzlösungen der Metalle Eisen, Kupfer, Magnesium, Silber und Zink gefüllt. In diese Salzlösungen werden dann Bleche der entsprechenden Metalle eingetaucht.
Beobachtungen:
Bei manchen Kombinationen wie zum Beispiel Eisenblech in Kupfesulfat-Lösung kann man eine Reaktion beobachten, es bildet sich auf dem Blech ein deutlicher Belag. Bei anderen Kombinationen, beispielsweise Kupferblech in Zinksulfat-Lösung, kann man keine Reaktion bilden; das Aussehen des Blechs ändert sich nicht. Am besten, man notiert die Ergebnisse in einer Tabelle:
| Fe | Cu | Mg | Ag | Zn | |
|---|---|---|---|---|---|
| FeSO4 | o | o | ++ | o | + |
| CuSO4 | ++ | o | ++ | o | ++ |
| MgCl2 | o | o | o | o | o |
| AgNO3 | ++ | ++ | ++ | o | ++ |
| ZnSO4 | o | o | + | o | o |
++ = starke Abscheidung, + = schwache Abscheidung, o = keine Abscheidung
Auswertung
Auffällig ist, dass Mg-Atome in allen Fällen Elektronen abgeben. Augenscheinlich ist Mg hier das unedelste Metall, denn es gibt "sehr gern" Elektronen an Elektronen-Akzeptoren ab. Mg hat das stärkste Redoxpotenzial.
Eisen-Atome geben in zwei Fällen Elektronen an einen Akzeptor ab, nämlich an Kupfer-Ionen und an Silber-Ionen. Eisen ist also auch ziemlich unedel, allerdings nicht ganz so unedel wie Zink oder gar Magnesium. Zink-Atome geben Elektronen an Eisen-Ionen ab, sind also noch unedler als Eisen. Zink hat also das zweitstärkste Redoxpotenzial von den vier untersuchten Metallen, und Eisen hat das drittstärkste Redoxpotenzial.
Kupfer-Atome sind schon recht edel, sie geben ihre Elektronen nur an Silber ab, genauer gesagt, an Silber-Ionen.
Silber ist hier das edelste Metall, es zeigt keinerlei Bereitschaft, Elektronen an andere Metall-Ionen abzugeben und hat damit das schwächste Redoxpotenzial von allen fünf Metallen.
Stellen wir die Ergebnisse des dritten Versuchs graphisch dar:
Die Redoxpotenziale der fünf Metalle aus dem Versuch 3
Die obige Zeichnung enthält noch zwei sachliche Mängel.
Verbesserung Nr. 1Magnesium-Atome geben keine Elektronen an Zink-Atome ab, wohl aber an Zink-Ionen. Genauso verhält es sich mit den anderen Atomen. Wie könnte man dies in der Graphik berücksichtigen?
Erinnern Sie sich an die Säure/Base-Paare aus der Säure/Base-Chemie? Wenn die Säure HCl ein Proton abgibt, entsteht die korrespondierende Base Cl-, man schreibt dieses Säure/Base-Paar daher als HCl/Cl-.
Analog kann man bei Redoxreaktionen verfahren. Wenn ein Zn-Atom zwei Elektronen abgibt, entsteht ein Zn2+-Ion. Dieses Ion ist in der Lage, Elektronen von einem anderen Elektronen-Donator aufzunehmen, beispielsweise von einem noch unedleren Metall wie Magnesium. Statt der Atome wie Mg, Zn etc. könnte man also die Redoxpaare Mg/Mg2+, Zn/Zn2+ etc. aufschreiben:
Redoxpotenziale der Redoxpaare
Unter einem Redoxpaar versteht man ein System, in dem ein Elektronendonator neben dem korrespondierendem Elektronenakzeptor vorliegt.
Ein Beispiel ist das Redoxpaar Fe/Fe2+ + 2e-, das man auch als Fe/Fe2+ abkürzen kann.
Verbesserung Nr. 2Die vertikalen Abstände zwischen den Redoxpaaren sind noch nicht korrekt. Woher weiß man denn, dass der Fe-Cu-Abstand größer ist als etwa der Cu-Ag-Abstand? Könnte es nicht auch umgekehrt sein? Und überhaupt, welche Werte haben die Redoxpotenziale eigentlich? In welcher physikalischer Einheit werden Redoxpotenziale gemessen, und wie muss man die senkrechte Achse der Graphiken einteilen und beschriften.
Mit diesen Fragen beschäftigen wir uns im nächsten Abschnitt der Elektrochemie.
Wer noch mehr Einzelheiten zum Thema Redoxpotenzial wissen möchte, schaut sich die entsprechende Seite in meinem Chemie-Lexikon an. Auch zum Thema Redoxpaare habe ich einen Lexikoneintrag geschrieben.