Die Nernst'sche Gleichung

Bei einer  galvanischen Zelle tauchen zwei Metalle in die Lösungen ihrer Salze. Die beiden Halbzellen sind durch einen "Stromschlüssel" miteinander verbunden oder durch ein halbdurchlässiges Diaphragma (= feinporige Wand) miteinander kombiniert. Es kommt dabei zum Elektronenaustausch, wenn die beiden Metalle leitend durch einen Metalldraht miteinander verbunden werden. Die Atome des unedleren Metalls gehen als Ionen in Lösung, wohingegen die Ionen des edleren Metalls als Atome am Metallstab abgeschieden werden. Die beiden Teilreaktionen der Redoxreaktion laufen örtlich voneinander getrennt ab. Die Elektronen werden durch den Metalldraht transportiert. Zwischen beiden Halbzellen kommt es zur Ausbildung einer Potenzialdifferenz (= elektrische Spannung = elektromotorische Kraft EMK; gemessen in Volt). Da das absolute Potenzial einer Halbzelle nicht messbar ist – man kann nur Potenzialdifferenzen messen –, wird die Potenzialdifferenz zwischen der Halbzelle und der  Standard-Wasserstoff-Halbzelle mit einem auf ±0,00 Volt willkürlich festgelegten Potenzial gemessen. Den so ermittelten Wert bezeichnet man als Normalpotenzial E₀.

Die in einer Halbzelle ablaufende Reaktion
Me Me²⁺ + 2 e^–
ist eine Gleichgewichtsreaktion. Dies bedeutet, dass das Bestreben der Metallatome in den Ionenzustand überzugehen, nicht nur von dem Metall, sondern auch von der Konzentration der bereits in Lösung befindlichen Metall-Ionen abhängig ist. Deshalb geht man bei der Ermittlung der Normalpotenziale von Metallsalzlösungen mit festgelegter Konzentration (1 Mol Metall-Ionen pro Liter) aus. Änderungen der Ionenkonzentration haben also Auswirkungen auf die Spannung (EMK) einer galvanischen Zelle. Die Nernst-Gleichung gestattet die Berechnung der Spannungsänderung in Abhängigkeit von der Konzentration der beteiligten Ionen.

Foto: Museum der Göttinger Chemie

Walther Hermann Nernst (1864–1941), Professor für Physikalische Chemie in Göttingen und Berlin, Nobelpreisträger für Chemie 1920, leitete 1889 die nach ihm benannte Nernst'sche Gleichung ab.

 
Aus der Nernst'schen Gleichung ergibt sich, dass sogar zwischen zwei Halbzellen, die beide aus den gleichen Komponenten aufgebaut, sich aber in der jeweiligen Ionenkonzentration unterscheiden, es auch zur Ausbildung einer Potentialdifferenz kommen kann. Derartige galvanische Zellen werden als Konzentrationszellen bezeichnet. Als Spannungsquellen sind sie für den technischen Gebrauch wegen der nur recht geringen Spannung uninteressant, jedoch haben sie z.B. große Bedeutung bei der Nervenleitung, wobei die Potenzialdifferenz durch unterschiedliche Konzentrationen von Kalium-Ionen an der Zellmembran zu Stande kommt. Auch die Lambda-Sonde zur Messung des Sauerstoffgehalts im Abgas beim Verbrennungsmotor ist eine auf unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen basierende Konzentrationszelle.

Weitere Informationen:
Stichwort "Nernst-Gleichung" in Wikipedia
Referat "Die Nernst-Gleichung" von Kathrin Brcic Kostic