Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode

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Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode schematisch
Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode

Eine Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode besteht aus metallischem Kupfer, das in eine Kupfersulfatlösung taucht und das eine Kontaktmöglichkeit hat, so dass man die Elektrode mit einem äußeren Stromkreis verbinden kann. Zwei Typen von Kupfer/Kupfersulfat-Elektroden sind für Anwendungen bedeutsam:

Früher gab es noch weitere Anwendungen von Kupfer/Kupfersulfat-Elektroden, die heute vor allem historische oder didaktische Bedeutung haben:

Elektrodenpotential[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

allgemeiner Fall[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wird ein Kupferdraht in eine Lösung eingetaucht, so gehen Metallionen Cu2+ in Lösung und es stellt sich ein Elektrodenpotential ein. Die sogenannte Durchtrittsreaktion

ist für die Elektrode die potentialbestimmende Reaktion. Nach der Nernst-Gleichung folgt für das Elektrodenpotential

Das Potential der Elektrode hängt also nur von der Aktivität, bzw. Konzentration, der Kupferionen ab. Die Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode gilt daher als eine Referenzelektrode erster Art.

gesättigte Lösung – Potential der Cu/CuSO4-Bezugselektrode[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Verwendet man als Lösung eine gesättigte Kupfersulfatlösung, so ist die Konzentration der Kupferionen über das Löslichkeitsprodukt bei einer bestimmten Temperatur gegeben:

Mit einer konstanten Konzentration an Kupferionen wird somit ein konstantes Elektrodenpotential erreicht (Referenzelektrode). Für die praktische Anwendung als Bezugselektrode wird daher in der Regel eine gesättigte Kupfersulfatlösung verwendet. Dies hat in erster Linie den Vorteil, dass die Funktionstüchtigkeit der Elektrode visuell überprüft werden kann: Solange blaue Kupfersulfatkristalle in der Lösung vorhanden sind, ist diese gesättigt und damit das Potential konstant (bei einer bestimmten Temperatur).

Das Potentiale der Cu/CuSO4-Bezugselektrode CSE gemessen gegen die Normalwasserstoffelektrode sind 316 mV bei 15°C, 317 mV bei 25°C und 319 mV bei 35°C.[2]

Näherungsweise kann die Temperaturabhängigkeit des Potentials ECSE wiedergegeben werden durch[2]

Die Potentialmessung der CSE sollte mit möglichst kleinen Mesströmen erfolgen (10 µA bei kurzzeitigen Messungen, 0,1 µA für Dauermessungen)[3], möglichst mit einem Messgerät mit einer Impedanz von 20 MOhm.[4]

Wartung und Aufbau der Bezugselektrode und Sonderversionen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Befüllt wird die Elektrode mit hochreinem Kupfersulfat und destilliertem Wasser.[5]

Für Potentialmessungen an Bauwerken oder Rohrleitungen werden im allgemeinen Kupfer/Kupfersulfatelektroden mit großflächigen Diaphragmen (Durchmesser ca. 10 cm) benutzt, um den Übergangswiderstand möglichst gering zu halten.[6]

Es wurden auch Versionen der Elektrode hergestellt, die bei erhöhtem Druck bis zu einer Temperatur von 150°C verwendbar sind.[7]

Anwendungen der Bezugselektrode[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Im Bauwesen werden Kupfer/Kupfersulfat-Elektroden im Rahmen der Potentialfeldmessung für die Zustandserfassung von Stahlbetonbauwerken eingesetzt. Im Vergleich zu anderen Referenzelektroden sind die Kupfer/Kupfersulfat-Elektroden einfach herzustellen und außerdem sehr robust, weshalb sie sich für den Einsatz auf der Baustelle, bzw. am Objekt, gut eignen.
  • Wartungs- und Intensivmessungen an KKS-geschützten Rohrleitungen sowie Tankanlagen
  • Beeinflussungsmessungen an erdverlegten Installationen und Bauwerken zur Bewertung einer Korrosionsgefährdung, z.B. durch den Fahrbetrieb von Gleichstrombahnen. Die Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode ist die gebräuchlichste Bezugselektrode für die Messung des Objekt/Boden-Potentials.[8]

Historisches[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

1939 wurde die Kupfer/Kupfersulfat-Bezugselektrode im Zusammenhang mit der Korrosion von Gasleitungen[9] für die Messung von Potentialen im Erdreich vorgeschlagen[10]. Die Elektrode war speziell für Untersuchungen im Feld entwickelt[11] und fand danach mehr und mehr Verwendung.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Beispiele für Hersteller bzw. Lieferanten von Kupfer/Kupfersulfat-Bezugselektroden: Bsp.1, Bsp.2, Bsp.3, Bsp.4
  2. a b c Heather A.G. Stern, Donald Robert Sadoway, Jefferson William Tester: Copper sulfate reference electrode. In: Journal of Electroanalytical Chemistry. Band 659, Nr. 2, 15. August 2011, S. 143–150, doi:10.1016/j.jelechem.2011.05.014.
  3. Klaus Walther: Gebrauch und Instandhaltung von Kupfer-Kupfersulfatelektroden. Teil 2. In: Mitteilungen des Fachverbandes Kathodischer Korrosionsschutz e.V. Band 37, September 2000, S. 1–4 (online [PDF]).
  4. Klaus Walther: Einfluß der lmpedanz von Meßgeräten auf die Funktion von Referenz-Elektroden. Ergänzung zum Fachreferat, gehalten von Herr Ing. Klaus Walther. In: Mitteilungen des Fachverbandes Kathodischer Korrosionsschutz e.V. Band 38, Dezember 2000, S. 3–4 (online [PDF]).
  5. Klaus Walther: Gebrauch und Instandhaltung von Kupfer-Kupfersulfatelektroden. Teil 1. In: Mitteilungen des Fachverbandes Kathodischer Korrosionsschutz e.V. Band 36, Juni 2000, S. 1–4 (online [PDF]).
  6. Walter von Baeckmann, Willi Fleig: Meßtechnik beim kathodischen Korrosionsschutz (= Kontakt & Studium. Nr. 93). 4. Auflage. expert verlag, Renningen-Malmsheim 2000, ISBN 3-8169-1879-4, S. 32 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  7. Derek M. Hall, Justin R. Beck, Edward Brand, Margaret Ziomek-Moroz, Serguei N. Lvov: Copper-Copper Sulfate Reference Electrode for Operating in High Temperature and High Pressure Aqueous Environments. In: Electrochimica Acta. Band 221, 10. Dezember 2016, S. 96–106, doi:10.1016/j.electacta.2016.10.143.
  8. Ulrich Bette, Wolfgang Vesper: Taschenbuch für den kathodischen Korrosionsschutz. Vulkan-Verlag GmbH, 2005, ISBN 3-8027-2932-3, S. 324 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche  ).
  9. Scott Preston Ewing: Soil Corrosion and Pipe Line Protection. American Gas Association, New York 1938.
  10. Scott Preston Ewing: The copper-copper sulfate half-cell for measuring potentials in earth. In: American Gas Association Proceedings. Band 21, 1939, S. 624–634.
  11. Patent US2338713: Half-cell for making potential measurements in substances. Angemeldet am 18. August 1939, veröffentlicht am 11. Januar 1944, Erfinder: Scott Preston Ewing.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Wolfgang Bechmann, Joachim Schmidt: Einstieg in die Physikalische Chemie für Nebenfächler. 4. Auflage. Springer + Teubner, 2010, ISBN 978-3-8348-0991-9, Kapitel 4.4.3, Elektrodentypen.