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Galvanische Zelle

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Zum Abschluss dieses Kurses möchten wir Ihnen im Rahmen der Elektrochemie die Funktionsweise der galvanischen Zelle, oder auch Daniell-Element genannt, näherbringen. Das Daniell-Element ist eine besondere Form der galvanischen Zelle.

Merke

Die galvanische Zelle ist die einfachste Variante einer Batterie.

Funktionsweise einer galvanischen Zelle

Wie in den vorangegangenen Kurstexten bereit behandelt wurde,  finden in galvanischen Zellen Redoxprozesse statt und mit geeigneten Messeinrichtungen lässt sich der Elektronenfluss durch einen Stromfluss messen. Die stattfindende Oxidation und Reduktion sind bei einer galvanischen Zelle räumlich getrennt. Man spricht daher auch von zwei Halbzellen in denen die Teilreaktionen ablaufen.

Die Halbzelle in der die Oxidation stattfindet nennt man Donatorhalbzelle und die Halbzelle in der die Reduktion abläuft heißt Akzeptorhalbzelle

Die Verbindung und somit den Elektronenfluss zwischen beiden Halbzellen gewährleistet ein Elektronenleiter. Hinzu kommt ein Ionenleiter, der dann den Stromkreis schließt.

Ein geschlossener Stromkreis erfüllt dabei zwei Funktionen:

  1. Ionentauch zwischen den beiden Lösungen in den Halbzellen
  2. Eliminieren einer Aufladung der Lösungen.

Merke

In den meisten Fällen sind die Ionenleiter durch eine Elektrolytbrücke realisiert oder durch eine semipermeable Membranwand mit entsprechender Porösität.
Bestandteile einer Halbzelle
  • Elektrode aus bestimmtem Metall,
  • Ionenlösung in der sich die Elektrode befindet, 
  • Elektronenleiter, der beide Halbzellen verbindet.
  • Ionenleiter, der auch beide Halbzellen verbindet,
  • Messgerät, welches am Elektronenleiter zwischengeschaltet wird. 

Merke

Die Ionenlösung besteht aus dem gleichen Metall wie die Elektrode. Beispielsweise: Zinkelektrode in Zinkionen-Lösung. Beide bilden zusammen das Redoxpaar. 
Schematische Darstellung einer galvanischen Zelle

In der kommenden Abbildung sehen Sie die galvanische Zelle in allgemeiner Form. 

SKIZZE

In welcher Halbzelle letztlich die Reduktion oder die Oxidation abläuft entscheidet sich immer anhand der eingesetzten Redoxpaare. 

Daniell-Element

Beim oben bereits erwähnten Daniell-Element sind die Redoxpaare wie folgt:

  1. $ Zn / Zn^{2+} \rightarrow $ Donatorhalbzelle 
  2. $ Cu / Cu^{2+} \rightarrow $ Akzeptorhalbzelle

In der nächsten Abbildung sehen Sie die schematische Darstellung des Daniell-Elements:

Daniell-Element
Daniell-Element

Damit das Daniell-Element auch funktionieren kann, werden beide Elektroden miteinander verbunden. Liegt eine Verbindung vor, so beginnt der Elektronenfluss vom Zink hin zum Kupfer, wobei eine Potentialdifferenz vorliegen muss.  Nachgewiesen wird dieser Elektronenfluss mit dem entsprechenden Strommessgerät. 
Die gemessene Spannung $ U $ zwischen der Zink- und Kupferelektrode beträgt bei identischer Konzentration der Lösungen ungefähr $ U = 1,1 V $. Diese Spannung ergibt sich aus dem stofflichen System und stellt eine charakteristische Größe für die Kombination von Redoxpaaren dar.  Die Potentialdifferenz wird über die Spannung dargestellt. Differenzen ergeben sich ja bekanntlich aus zwei Werten, weshalb sich die Potentialdifferenz aus zwei Potentialen an den Elektroden ergibt. 

Merke

Wird die Elektrode in die Elektrolyt-Lösung eingetaucht, so stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der Elektrode und den im Elektrolyt gelösten Ionen ein. 

Die Gleichgewichte der Redoxpaare sehen Sie nachfolgend:

Methode

$ Zn (s) \rightleftharpoons Zn^{2+} + 2 e^- $

$ Cu (s) \rightleftharpoons Cu^{2+} + 2 e^- $

Es handelt sich bei diesen Gleichgewichten um die Elektrodengleichgewichte des Daniell-Elements.

Chemische/physikalische Vorgänge 

Schaut man sich die Metall auf Gitterebene an, so sieht man, dass die Metallionen aus dem Gitter in Lösung gehen und dabei ihre Elektronen in der Elektrode bleiben. Das Metall ist nun negativ aufgeladen und zieht die positiv geladenen, in Lösung gegangenen Metall-Ionen an. Im ersten Fall liegt ein Lösungsdruck $ pl $ vor und zweiten Fall ein osmotischer Druck
Es entsteht aus diesen Reaktionen eine elektrische Doppelschicht, die wiederum ein elektrisches Potential an den Elektroden entstehen lässt. Die dabei wirkende Kraft bezeichnet man als elektromotorische Kraft

Aber wo ist die Relation zwischen den beiden Zellen? 

Zinkatome neigen stärker als Kupferatome unter Elektronenabgabe zur Ionenbildung. Daraus ergibt sich an der Zink-Elektrode ein Elektronenüberschuss. Infolgedessen wird die Zink-Elektrode zur Anode (Minuspol) und die Kupfer-Elektrode zur Kathode (Pluspol). Die Elektronen $ e^- $ fließen immer vom Minuspol zum Pluspol. 

Merke

Somit ist bei einem galvanischen Element die Anode immer der Minuspol und die Kathode immer der Pluspol. 

Im dauerhaften Betrieb lassen sich die chemischen Vorgänge mit bloßen Auge beobachten, da die Zink-Elektrode immer dünner wird und die Kupfer-Elektrode entsprechend an Masse zunimmt. 

Elektrolytbrücke

Die Elektrolytbrücke ermöglicht die Wanderung der Ionen zwischen den Halbzellen. In der Zinkhalbzelle entstehen immer zwei Zinkionen $ Zn^{2+} $, die zwei positive Ladungen tragen. Damit sich diese Halbzelle nicht positiv auflädt, müssen aus der anderen Halbzelle negative Ionen $ SO_4^{2-} $ hinüber wandern.
In der Kupferhalbzelle verschwinden immer mehr Kupferionen $Cu^{2+} $, da sie zu elementarem Kupfer $ Cu $ reduziert werden. Damit sich diese Halbzelle nicht negativ auflädt, müssen aus der anderen Halbzelle positive Ionen $ Zn^{2+} $ herüberwandern.

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