EineElektrode [elɛkˈtroːdə] (vonaltgriechisch ηλεκτρόνelektron, „Bernstein“,i. ü. S. „elektrisch“, undὁδόςhodós, „Weg“) ist einElektronenleiter, der zusammen mit einerGegenelektrode (Anode –Kathode) mit einemMedium, das sich zwischen beiden Elektroden befindet, in Wechselwirkung steht. Elektroden bestehen auselektrischen Leitern, meist einemMetall oderGraphit. Sie dienen dazu, nicht elektronenleitende Bereiche mit Kabeln zu verbinden, und werden dazu beispielsweise angewendet:

• inelektrochemischenElementen
• als Werkzeug (z. B. beimWiderstandspunktschweißen) und ggf.Materialspender beimElektroschweißen
• als Anschlüsse undelektronenoptische Elemente inElektronenröhren.

Über die elektrische Funktion hinaus kann Elektrodenmaterialabgeschieden oder verbraucht werden, oder in der Elektrode können physikalische Prozesse stattfinden wie in der Anode einerRöntgenröhre.

Je nach Art des Mediums, das die Elektrode umgibt, kommt es zu unterschiedlichen Formen der Wechselwirkung:

• Ist das Medium einIsolator, so baut sich zwischen den Elektroden einelektrisches Feld auf. Diese Konfiguration wirdKondensator genannt. Siehe hierzu jedoch auchstille elektrische Entladung.
• Ist das Medium einVakuum oder einGas, so baut sich wie im Falle des Isolators ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden auf. Jedoch können sich Elektronen von einer Elektrode, der Kathode, zur anderen, der Anode, bewegen, wenn der Austritt aus der Kathode ermöglicht wird, z. B. durchFeldemission oderthermische Emission bzw. denEdison-Richardson-Effekt, wie dies bei verschiedenen Elektronenröhren mitGlühkathoden der Fall ist.
• Ist das Medium ein Gas, dann werden dieAtome bzw.Moleküle des Gases teilweiseionisiert, so dass einPlasma entsteht. Im Plasma bewegen sich neben den Elektronen auch dieIonen im elektrischen Feld, wie bei einerGasentladungslampe. Auch die Elektroden derZündkerzen, dieSchweißelektroden beim Elektroschweißen und die Elektroden im Inneren derDüse beimPlasma-Schmelzschneiden fallen in diese Kategorie. Die Schweißelektroden erzeugen beimSchweißen einenLichtbogen mit dem zu schweißenden Material. In der Hitze des Lichtbogensschmelzen beide, und die Elektrode dient als Zusatzwerkstoff, so dass die Materialien verbunden werden.

Hier ist das Medium, das an die Elektrode grenzt, ein flüssiger oder festerIonenleiter, derElektrolyt. DurchOxidations- undReduktions-Reaktionen oder durch eine äußereSpannung baut sich an der Elektrode einelektrochemisches Potential auf.

Man unterscheidet vier Typen von Elektroden, je nach Art der Abhängigkeit des Potentials von derKonzentration des Elektrolyten:

1. Elektroden erster Art
2. Elektroden zweiter Art, bei denenFeststoffe an der Reaktion beteiligt sind
3. Redox-Elektroden; hier treten keine Metallionen durch diePhasengrenzen, sondern Elektronen. Das Metall selbst wird dabeinicht angegriffen, dakein Stofftransport durch die Phasengrenzen stattfindet.
4. Ionenselektive Elektroden, bei denen das Potential im Idealfall von der Konzentration nur eines bestimmten Ions abhängt.

Schließt man zwei Elektroden, die in unterschiedlich konzentrierte Elektrolytlösungen tauchen oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen, über einenStromkreis aneinander, so erhält man eingalvanisches Element. Zwischen den Elektroden ist eine Spannung messbar, die aus derPotentialdifferenz resultiert und dieQuellenspannung oder „reversibleZellspannung“ genannt wird. Solch eine Anordnung kannStrom abgeben (Batterie).

Durch Zuschalten einer äußeren Spannung laufen andere chemische Reaktionen an den Elektroden ab (Elektrolyse).

Die Elektroden können aus Metallen oderHalbleitern bestehen, z. B. auch aus Graphit,Glaskohlenstoff, und können flüssig (Quecksilber) oder fest sein.

Eine zumKorrosionsschutz verwendete Elektrode ist dieOpferanode.

In derBrennstoffzelle, beiGassensoren sowie bei einigen Batterien wird dieGasdiffusionselektrode eingesetzt.

Für die elektrochemischen Elektroden gilt:

• Die Elektrode, an der dieOxidation abläuft, ist dieAnode. Elektronen fließen von der Anode über einen Leiter ab. Anionen in Lösung fließen zur Anode.
• Die Elektrode, an der dieReduktion abläuft, ist dieKathode. Elektronen fließen über einen Leiter zur Kathode. Kationen in Lösung fließen zur Kathode.

Welche der beiden Elektroden Plus- und welche Minuspol ist, hängt von der elektrochemischen Vorrichtung ab:

• Wenn die elektrische Spannung durch die chemischen Vorgänge von sich aus erzeugt wird, z. B. beiGalvanischen Zellen (Batterie oderBrennstoffzelle), ist die Anode negativ geladen, da bei der freiwillig ablaufenden Oxidation Elektronen frei werden. Die Anode ist dann der Minuspol (−).
• Wenn die chemische Reaktion durch einen von einer äußeren Spannung hervorgerufenen Stromfluss erzwungen wird (Elektrolyse,Galvanisierung), wird die Oxidation durch den Elektronenentzug an der positiv geladenen Anode hervorgerufen: Die Anode ist in diesem Fall der Pluspol (+).

Da sich bei einer Elektrolyse im Vergleich zu einem galvanischen Element die Polarität der Elektroden umkehrt, ist die Zuordnung von Anode und Kathode oft verwirrend. Man kann sich jedoch an der Flussrichtung der Elektronen orientieren. Dazu stelle man sich die Zelle schematisiert vor: Die Vorsilbe ana- bedeutet aufwärts, die Vorsilbe kata- bedeutet abwärts. In der Regel ist die Anode in Zeichnungen links dargestellt, die Kathode rechts.

Elektroden erster Art sind Elektroden, derenelektrisches Potential direkt von derKonzentration der sie umgebenden Elektrolytlösung abhängt. Dies sind beispielsweise alle Metalle, die in eine Lösung ihrer Metallionen (Elektrolytlösung) eintauchen. An derPhasengrenze kommt es zur Ausbildung einesGleichgewichtes zwischen demLösungsdruck des Metalles und demosmotischen Druck der Elektrolytlösung.

• Der Lösungsdruck des Metalles kommt dadurch zustande, dass jedes Metall versucht, aus seinemGitterKationen zu lösen. Durch den Überschuss an Elektronen im Metall lädt das Metall sich negativ auf. Infolge derCoulomb-Anziehung bleiben die Kationen in relativer Nähe zur Elektrode. Es bildet sich eine elektrochemische Doppelschicht aus. Das Vermögen eines Metalles, Kationen aus seinem Gitter zu entlassen, wurde für jedes Metall in derelektrochemischen Spannungsreihe aufgelistet. Je niedriger es steht, desto unedler ist es und desto höher ist damit auch sein Vermögen, Kationen zu entlassen.
• Die gegenläufige Tendenz kommt durch den osmotischen Druck der Elektrolytlösung zustande oder einfacher ausgedrückt: Elektrolytlösungen möchten sich verdünnen. Dies erreichen sie, indem sie die gelösten Metallionen in das Gitter der Elektrode drängen und dort einbauen. Dies gelingt ihnen besonders gut, wenn viele Metallionen gelöst vorliegen. Es kommt so zur Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht mit umgekehrten Vorzeichen. Unterstützt wird dieser gegenläufige Trend durch die elektrostatische Anziehung der gelösten Salzionen durch die beim Lösungsvorgang des Metalls zurückbleibenden Elektronen im Metall.

Im Gleichgewicht halten sich also Lösungsdruck sowie osmotischer Druck und elektrischer Druck die Waage.Auf welcher Seite (Lösungsdruck vs. osmotischer Druck) dasGleichgewicht liegt, hängt also einerseits von der Stellung des Metalles in der elektrochemischen Spannungsreihe und andererseits von der Konzentration der Elektrolytlösung ab.

Elektroden zweiter Art sind Elektroden, derenelektrisches Potential nur indirekt von der Konzentration der sie umgebendenElektrolytlösung abhängt. Die Abweichung zur Elektrode erster Art ist jedoch nur eine konstante Spannungsdifferenz. Elektroden zweiter Art werden alsBezugselektroden eingesetzt.

Die Konzentrationsunabhängigkeit des Potentials wird durch den besonderen Aufbau der Elektrode erreicht. Genauer gesagt, wird durch die besondere Zusammensetzung der Elektrolytlösung das Potential konstant gehalten. Die Elektrolytlösung besteht zum einen aus einer gesättigten Lösung eines schwerlöslichenSalzes, welches alsKation aus dem gleichen Metall wie die Elektrode besteht und zum anderen aus einem gut löslichen und genau konzentriertenAlkalisalz, welches das gleicheAnion wie das schwerlösliche Salz enthält.

Das Potential hängt von der Konzentration des Kations des schwerlöslichen Salzes ab. Diese Konzentration ist wiederum über dasLöslichkeitsprodukt mit der Konzentration des Anions gekoppelt. Wird die Konzentration des Anions konstant gehalten, bleibt folglich auch das Potential konstant. Diese Anionenkonzentration lässt sich nahezu konstant halten, indem deren Konzentration sehr groß gewählt wird. Durch Subtraktion dieser Spannungswerte vom Messwert erhält man das tatsächliche Potential, bzw. dieQuellenspannung einer Lösung.

Wichtige Bezugselektroden sind dieSilber-Silberchlorid-Elektrode und dieKalomel-Elektrode. Eingesetzt werden sie beispielsweise in derPotentiometrie.

Das anionenselektiven Elektroden gemessene Potential ist abhängig von der Konzentration (genauer derAktivität) einer bestimmten Ionenart. Eine solche Elektrode besteht im Prinzip aus einer Elektrode, dienicht an der elektrochemischen Reaktion teilnimmt, z. B. einerGraphitelektrode, und einer damit verbundenen Elektrodenphase, die im einfachsten Fall aus einem schwerlöslichenSalz mit der Ionenart besteht, die mit dem entsprechenden Ion in der Lösung im Gleichgewicht steht.

In der Praxis sind ionenselektive Elektroden ähnlich wie eineGlaselektrode aufgebaut, wobei dieMembranen ionenspezifisch z. B. aus dem schwerlöslichen Salz (Kristallmembran) oder ausKali- oderNatrongläsern bestehen. Flüssigkeitsmembranen bestehen aus eineminerten Träger, auf denen inorganischenLösungsmitteln gelösteIonophore aufgezogen sind. Die Selektivität der Elektrode wird im Wesentlichen durch dasLöslichkeitsprodukt und dieIonenleitfähigkeit bestimmt. Hierbei ist außerdem zu beachten, dass viele andere in der Lösung gleichzeitig vorhandene Ionen einen Störfaktor bilden können.

Beispiele:

• Bei einercadmiumselektiven Elektrode besteht die feste Elektrodenphase bzw. die Membran ausCadmiumsulfid.
• Mit einerSilberchlorid-Silbersulfid-Elektrode, die eine Silberchlorid-Silbersulfid-Mischkristallmembran besitzt, lassen sich sowohl die Konzentrationen vonSilberionen als auch die vonChlorid- undSulfidionen bestimmen.

Inzwischen werden viele Ionen selektiv bestimmt. In der analytischen Praxis wird u. a. dieFluoridelektrode zur Bestimmung vonFluoridionen in Wasser mit einerGenauigkeit bis 0,01 mg/l und in einem abgewandelten Prinzip dieAmmoniakelektrode (eine gasdurchlässige Membranelektrode) benutzt. Eine spezielle Entwicklung sind elektrochemischeBiosensoren, z. B.Enzymelektroden.^[2]

Die Vorteile von Mikroelektroden sind

• der sehr kleine Gesamtstrom (nur geringfügige Störung des zu untersuchenden Systems durchReaktionsprodukte
• nur kleinerSpannungsabfall in der Lösung)
• kein Einfluss (moderater)Strömungen auf das Messergebnis
• Nachweisbarkeit sehr geringer Konzentrationen
• Vernachlässigbarkeitkapazitiver Effekte (dies ermöglicht sehr hohe Messraten)
• Realisierbarkeit sehr hoherStromdichten.

Diesen stehen Nachteile gegenüber wie ein kleiner Gesamtstrom trotz hoher Stromdichte und ein extrem großes Verhältnis von Probenvolumen zur Elektrodenoberfläche (wenn auch nur Spuren von oberflächenaktiven Stoffen vorliegen, bedecken sie leicht die gesamte Elektrodenoberfläche).^[3]

Die Begriffe Elektrode, Elektrolyt, Anode und Kathode entstanden auf Anregung vonMichael Faraday (1791–1867) und wurden durch ihn publik gemacht.^[4] Faraday, der kein Griechisch gelernt hatte, ließ sich dabei vonWilliam Whewell (1794–1866) beraten, dem Rektor desTrinity College derUniversität von Cambridge.

• Standardelektrode
• Elektrodensteilheit

• International Electrotechnic Vocabulary (IEV), herausgegeben von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC)

Commons: Elektroden – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Elektrode – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Das IEV im Internet
• Ionenselektive Elektroden Uni Jena (PDF; 184 kB)
• Ionenselektive Elektroden Uni Bern (Memento vom 15. Dezember 2011 imInternet Archive) (PDF; 50 kB)
• Video:Elektroden (Basiswissen Physikalische Chemie #12). Jakob Günter Lauth (SciFox) 2019, zur Verfügung gestellt von derTechnischen Informationsbibliothek (TIB),doi:10.5446/40359.

1. ↑Charles E. Mortimer, Ulrich Müller:Chemie. 8. Auflage, Georg Thieme Verlag KG, 2007,ISBN 978-3-13-484309-5, S. 352.
2. ↑H. Wenck, K. Hörner:Ionenselektive Elektroden, Chemie in unserer Zeit, 23. Jahrg. 1989, Nr. 6, S. 207
3. ↑Ludwig Pohlmann: Elektrochemische Messmethoden: Mikroelektroden
4. ↑https://www.plasma.uaic.ro/topala/articole/Faraday%201834%20VII.pdf (Memento vom 8. März 2018 imInternet Archive) Abschnitt 662, 664 beziehungsweise 663

• Elektrode
• Elektrode (Elektrochemie)