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Kupfer Kupfersulfat Elektrode Eine besteht aus metallischem Kupfer das in eine Kupfersulfatlösung taucht und das eine Ko

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:

Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode schematisch
Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode

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

Elektrodenpotential Bearbeiten

Allgemeiner Fall 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

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.

Näherungsweise kann die Temperaturabhängigkeit des Potentials ECSE wiedergegeben werden durch

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

Wartung und Aufbau der Bezugselektrode und Sonderversionen Bearbeiten

Befüllt wird die Elektrode mit hochreinem Kupfersulfat und destilliertem Wasser.

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.

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

Anwendungen der Bezugselektrode 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.

Historisches Bearbeiten

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

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Beispiele für Hersteller bzw. Lieferanten von Kupfer/Kupfersulfat-Bezugselektroden: (Memento des Originals vom 28. Januar 2017 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.msesproducts.com, Bsp.2, Bsp.3, Bsp.4
  2. ↑ 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 Impedanz 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

  • 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.
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Eine Kupfer Kupfersulfat Elektrode besteht aus metallischem Kupfer das in eine Kupfersulfatlosung taucht und das eine Kontaktmoglichkeit hat so dass man die Elektrode mit einem ausseren Stromkreis verbinden kann Zwei Typen von Kupfer Kupfersulfat Elektroden sind fur Anwendungen bedeutsam Die Kupfer Kupfersulfat Bezugselektrode wird wie alle Bezugselektroden zur Messung des elektrischen Potentials bzw des Elektrodenpotentials genutzt Sie wird insbesondere im Korrosionsschutz verwendet und ist von vielen Herstellern und Lieferanten kommerziell erhaltlich 1 Diese Kupfer Kupfersulfat Elektrode wird mit der Abkurzung CSE bezeichnet von engl copper copper sulfate electrode Das Potential der CSE gemessen gegen die Standardwasserstoffelektrode betragt 317 mV bei 25 C 2 Die Elektroden bei der elektrolytischen Kupferraffination Die dabei verwendete Losung enthalt aber nur 3 4 Kupfersulfat und 10 16 Schwefelsaure Kupfer Kupfersulfat Elektrode schematischKupfer Kupfersulfat Elektrode Fruher gab es noch weitere Anwendungen von Kupfer Kupfersulfat Elektroden die heute vor allem historische oder didaktische Bedeutung haben Verwendung in Konzentrationselementen zur Demonstration der Nernstschen Gleichung in galvanischen Elementen wie dem Daniell Element Kupfer Kupfersulfat Zink Zinksulfat und seine Weiterentwicklungen z B das Gravity Daniell Element im Kupfercoulometer zur Ladungsmessung im Gleichstromkreis Inhaltsverzeichnis 1 Elektrodenpotential 1 1 Allgemeiner Fall 1 2 Gesattigte Losung Potential der Cu CuSO4 Bezugselektrode 1 3 Wartung und Aufbau der Bezugselektrode und Sonderversionen 2 Anwendungen der Bezugselektrode 3 Historisches 4 Einzelnachweise 5 LiteraturElektrodenpotential BearbeitenAllgemeiner Fall Bearbeiten Wird ein Kupferdraht in eine Losung eingetaucht so gehen Metallionen Cu2 in Losung und es stellt sich ein Elektrodenpotential ein Die sogenannte Durchtrittsreaktion C u s C u 2 2 e displaystyle mathrm Cu s rightleftharpoons Cu 2 2e nbsp ist fur die Elektrode die potentialbestimmende Reaktion Nach der Nernst Gleichung folgt fur das Elektrodenpotential E E C u C u 2 o R T 2 F ln a C u 2 displaystyle E E mathrm Cu Cu 2 o RT over 2F ln a mathrm Cu 2 nbsp Das Potential der Elektrode hangt also nur von der Aktivitat bzw Konzentration der Kupferionen ab Die Kupfer Kupfersulfat Elektrode gilt daher als eine Referenzelektrode erster Art Gesattigte Losung Potential der Cu CuSO4 Bezugselektrode Bearbeiten Verwendet man als Losung eine gesattigte Kupfersulfatlosung so ist die Konzentration der Kupferionen uber das Loslichkeitsprodukt bei einer bestimmten Temperatur gegeben K a C u 2 a S O 4 c o n s t displaystyle K a mathrm Cu 2 cdot a mathrm SO 4 const nbsp Mit einer konstanten Konzentration an Kupferionen wird somit ein konstantes Elektrodenpotential erreicht Referenzelektrode Fur die praktische Anwendung als Bezugselektrode wird daher in der Regel eine gesattigte Kupfersulfatlosung verwendet Dies hat in erster Linie den Vorteil dass die Funktionstuchtigkeit der Elektrode visuell uberpruft werden kann Solange blaue Kupfersulfatkristalle in der Losung vorhanden sind ist diese gesattigt 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 Naherungsweise kann die Temperaturabhangigkeit des Potentials ECSE wiedergegeben werden durch 2 E C S E m V 313 4 0 17 t C displaystyle E mathrm CSE mathrm mV 313 4 0 17 cdot t mathrm circ C nbsp Die Potentialmessung der CSE sollte mit moglichst kleinen Messtromen erfolgen 10 µA bei kurzzeitigen Messungen 0 1 µA fur Dauermessungen 3 moglichst mit einem Messgerat mit einer Impedanz von 20 MOhm 4 Wartung und Aufbau der Bezugselektrode und Sonderversionen Bearbeiten Befullt wird die Elektrode mit hochreinem Kupfersulfat und destilliertem Wasser 5 Fur Potentialmessungen an Bauwerken oder Rohrleitungen werden im Allgemeinen Kupfer Kupfersulfatelektroden mit grossflachigen Diaphragmen Durchmesser ca 10 cm benutzt um den Ubergangswiderstand moglichst gering zu halten 6 Es wurden auch Versionen der Elektrode hergestellt die bei erhohtem Druck bis zu einer Temperatur von 150 C verwendbar sind 7 Anwendungen der Bezugselektrode BearbeitenIm Bauwesen werden Kupfer Kupfersulfat Elektroden im Rahmen der Potentialfeldmessung fur die Zustandserfassung von Stahlbetonbauwerken eingesetzt Im Vergleich zu anderen Referenzelektroden sind die Kupfer Kupfersulfat Elektroden einfach herzustellen und ausserdem sehr robust weshalb sie sich fur den Einsatz auf der Baustelle bzw am Objekt gut eignen Wartungs und Intensivmessungen an KKS geschutzten Rohrleitungen sowie Tankanlagen Beeinflussungsmessungen an erdverlegten Installationen und Bauwerken zur Bewertung einer Korrosionsgefahrdung z B durch den Fahrbetrieb von Gleichstrombahnen Die Kupfer Kupfersulfat Elektrode ist die gebrauchlichste Bezugselektrode fur die Messung des Objekt Boden Potentials 8 Historisches Bearbeiten1939 wurde die Kupfer Kupfersulfat Bezugselektrode im Zusammenhang mit der Korrosion von Gasleitungen 9 fur die Messung von Potentialen im Erdreich vorgeschlagen 10 Die Elektrode war speziell fur Untersuchungen im Feld entwickelt 11 und fand danach mehr und mehr Verwendung Einzelnachweise Bearbeiten Beispiele fur Hersteller bzw Lieferanten von Kupfer Kupfersulfat Bezugselektroden Bsp 1 Memento des Originals vom 28 Januar 2017 im Internet Archive nbsp Info Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht gepruft Bitte prufe Original und Archivlink gemass Anleitung und entferne dann diesen Hinweis 1 2 Vorlage Webachiv IABot www msesproducts com Bsp 2 Bsp 3 Bsp 4 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 Klaus Walther Gebrauch und Instandhaltung von 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