Hilfselektrode
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Typen von Elektroden
Elektroden spielen eine zentrale Rolle in elektrochemischen Prozessen. Dabei gibt es verschiedene Elektrodentypen. Die Anode ist jene Elektrode, an der die Oxidation, also die Abgabe von Elektronen, stattfindet. An der Kathode erfolgt die Reduktion, also die Aufnahme von Elektronen. Die Polarität von Elektroden kann positiv oder negativ sein und hängt davon ab, ob es sich um eine galvanische Zelle oder eine Elektrolysezelle handelt.
- Galvanische Zellen erzeugen Energie. Das bekannteste Beispiel ist die Batterie. In der galvanischen Zelle ist die Anode der negative Pol und die Kathode der Positive.
- Elektrolytische Zellen verbrauchen Energie. Sie dienen dazu, eine nicht-spontane Reaktion zu erzwingen. In einer elektrolytischen Zelle ist die Anode der positive Pol und die Kathode der Negative.
Die Hilfselektrode, auch als Gegenelektrode bezeichnet, schließt den Stromkreis und ermöglicht damit den Ladungsausgleich zur Arbeitselektrode. Um nicht an der eigentlichen Reaktion an der Arbeitselektrode teilzunehmen und um deren Potential nicht zu stören, sollte eine Hilfselektrode inert sein.
Die Referenzelektrode dient als fester Bezugspunkt. Bei der Referenzelektrode handelt es sich dabei um eine spezielle Elektrode mit einem stabilen und bekannten Potential. Durch sie fließt kein signifikanter Strom. Dadurch ist es möglich, das Potential der Arbeitselektrode präzise zu messen und zu kontrollieren. Die Arbeitselektrode ist jener Ort, an dem die interessierende Reaktion abläuft.
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Mehr InformationenGegen- oder Hilfselektrode
Die Hilfselektrode ist ein essenzieller Bestandteil in einem Dreielektrodensystem. Dreielektrodensysteme kommen in vielen elektrochemischen Anordnungen zum Einsatz, beispielsweise in der Voltammetrie. Die primäre Aufgabe der Hilfselektrode ist den Stromkreis zu schließen. Durch einen geschlossenen Stromkreis wird der erforderliche Stromfluss gewährleistet und damit die Ladung ausgeglichen. Die Hilfselektrode ist das Gegenstück zur Arbeitselektrode.
An der Arbeitselektrode findet die interessierende elektrochemische Reaktion statt. Aufgabe der Hilfselektrode ist dabei selbst nicht an der gewünschten Reaktion teilzunehmen und damit die Messung an der Arbeitselektrode nicht zu verfälschen. Aus diesem Grund kommen oft inerte Materialien wie Platin in Form eines Drahtes, Bleches oder eines Netzes bzw. Graphit für die Hilfselektrode zur Verwendung. Die Oberfläche einer Hilfselektrode ist meist groß. So können hohe Stromdichten vermieden und Polarisationseffekte minimiert werden. Beides ist notwendig, um stabile Messbedingungen sicherzustellen.
Elektroden können positiv oder negativ sein. Die Polarität einer Elektrode hängt von der Art der elektrochemischen Zelle ab sowie vom Umstand, ob sie als Anode oder Kathode fungiert: In einer galvanischen Zelle ist die Kathode positiv, in einer Elektrolysezelle hingegen negativ. Die stattfindende chemische Reaktion ist dabei maßgeblich für die Bezeichnung als Anode (Oxidation) bzw. Kathode (Reduktion).
Die dritte Elektrode in einem Dreielektrodensystem ist die Referenzelektrode. Die Referenzelektrode ist eine spezielle Elektrode und liefert ein stabiles und bekanntes Potential. Damit agiert sie als Referenzpunkt für die präzise Messung des Potentials der Arbeitselektrode. Durch die Referenzelektrode fließt dabei nahezu kein Strom. Das ist notwendig, damit ihr Potential unbeeinflusst bleibt und genaue sowie reproduzierbare Messungen gewährleistet sind.
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Referenzelektrode
Die Referenzelektrode ist für präzise und reproduzierbare Messungen unverzichtbar. Sie wird so konstruiert, dass bei der Messung des Potentials praktisch kein Strom durch sie fließt. Damit unterschiedet sie sich grundsätzlich von der Arbeitselektrode und der Hilfselektrode, durch die ein signifikanter Strom fließt.
Eine Elektrode, durch die nahezu kein Strom fließt, beeinflusst ihr eigenes Potential kaum. Bei der Beeinflussung des eigenen Potentials spricht man von Polarisation. Würde Polarisation in nennenswertem Ausmaß auftreten, so würde dies die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Um einen minimalen Stromfluss und damit eine minimale Polarisation zu gewährleisten, verbindet man in der Regel die Referenzelektrode hochohmig mit dem Messgerät.
Die Referenzelektrode ist unabkömmlich. Sie ist die Voraussetzung für Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Messung elektrochemischer Daten. Potentialmessungen ohne Referenzelektrode wären variabel und damit nicht vergleichbar: Das Potential einer einzelnen Elektrode ist nicht absolut und kann immer nur relativ zu einem Bezugspunkt bestimmt werden.
Referenzelektroden verfügen über einen Aufbau in Form eines Redoxsystems mit konstanten Ionenkonzentrationen. Beispiele für Referenzelektroden sind:
- Silber/Silberchlorid-Elektrode (Ag / AgCl)
- Kalomel-Elektrode (gesättigte Quecksilberchlorid-Elektrode, Saturated Calomel Electrode – SCE)
- Standard-Wasserstoffelektrode (Standard Hydrogen Electrode – SHE)
Die Standard-Wasserstoffelektrode wird in der Forschung verwendet und dient als Referenzpunkt der elektrochemischen Spannungsreihe.
Referenzelektroden bestehen jeweils aus einem Referenzelement (beispielsweise Silberdraht mit Silberchloridschicht) in einer Elektrolytlösung (beispielsweise Kaliumchlorid). Die Elektrolytlösung ist durch eine poröse Fritte von der Messlösung getrennt. Die Fritte gewährleistet den ionischen Kontakt und schließt den Stromkreis. Gleichzeitig verhindert sie eine Vermischung der Lösungen, was die Referenzelektrode kontaminieren, also verunreinigen, würde.
Potentiostat
Bei einem Potentiostat handelt es sich um ein elektronisches Präzisionsinstrument, das in der Elektrochemie unverzichtbar ist. Die Aufgabe von einem Potentiostat ist, sowohl das elektrische Potential an einer Arbeitselektrode in einer elektrochemischen Zelle präzise zu steuern als auch gleichzeitig den dabei fließenden Strom zu messen. Mithilfe einer solchen Vorrichtung lassen sich elektrochemische Reaktionen unter kontrollierten Bedingungen untersuchen.
Ein Potentiostat arbeitet in der Regel in einem Dreielektrodensystem, das aus Arbeitselektrode, Referenzelektrode und Hilfselektrode (Gegenelektrode) besteht. Der Potentiostat reguliert den Stromfluss zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode. Ziel des Regelprozesses ist es, das Potential der Arbeitselektrode relativ zur Referenzelektrode konstant zu halten. Alternativ regelt der Potentiostat den Stromfluss so, dass das Potential einem bestimmten Verlauf folgt.
Der Potentiostat hat also die Aufgabe eines Regelkreises: Laufend misst er die Potentialdifferenz zwischen der Arbeitselektrode und der Referenzelektrode. Weicht das gemessene Potential vom gewünschten Sollwert ab, so passt der Potentiostat den durch die Gegenelektrode fließenden Strom so an, dass das Potential der Arbeitselektrode wiederum dem Sollwert entspricht.
Potentiostaten kommen sowohl in der industriellen Qualitätskontrolle als auch in der Grundlagenforschung zum Einsatz:
- Untersuchung von Korrosionsschutz bzw. Korrosion.
- Charakterisierung von Batterien bzw. Brennstoffzellen.
- Elektroanalyse sowie Bestimmung von Spurenstoffen.
- Elektrosynthese für die gezielte Herstellung von Chemikalien.
- Sensorentwicklung wie beispielsweise Biosensoren.
Viele elektrochemische Reaktionen sind potentialabhängig. Ein genaues Verständnis des Verhaltens dieser elektrochemische Reaktionen ist nur bei kontrolliertem Potential möglich. Genau diese präzise Kontrolle des Potentials ist der entscheidende Vorteil eines Potentiostaten.
