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Elektrochemie

Die Galvanische Zelle

Die Galvanische Zelle ist die Grundlage jeder Batterie. Hier wird chemische in elektrische Energie umgewandelt und zwar durch die räumliche Trennung der Teilreaktionen (Oxidation/ Reduktion) einer Redoxreaktion. Der dafür notwendige Elektronenfluß findet dann nicht mehr auf engstem Raum statt sondern kann bspw. über ein Kabel geleitet werden und man "erzeugt" Strom bzw. ist besser gesagt in der Lage diesen Stromfluß zu nutzen.

Der Beitrag ist aufgrund der Länge in 2 Teile gesplittet und es wird die allgemeine Funktionsweise, das Daniell-Element, Elektrodenprozesse usw. erläutert.


Grundlagen

Redoxreaktionen sind die die Basis - auch wenn das Aufstellen der Gleichungen nicht unbedingt zum Verständnis des Videos nötig ist, kannst du dir das Video hier noch einmal anschauen:


Videos

Teil 1 von 2:

Direktlink zum Video auf Youtube

Zusammenfassung in Textform (mit Zeitangaben)

Die Galvanische Zelle Teil I/II

 

Definition: Die Galvanische Zelle ist eine elektrochemische Zelle, die eine Spannung erzeugt, weil in ihr eine spontane chemische Reaktion abläuft. Das heißt durch sie wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Dieses Prinzip findet Anwendung in Batterien oder Akkus.

 

Die Reaktion: Redox-Reaktion (0:38)

Es handelt sich um eine Redox-Reaktion, die aus einer Oxidations- und einer Reduktionsreaktion besteht.
Oxidation bedeutet, dass ein Reaktionspartner Elektronen abgibt. Dabei erhöht sich seine Oxidationszahl (OZ). Eine Reduktion ist eine Elektronenaufnahme, dabei erniedrigt sich die OZ eines Stoffes.
Also gibt bei einer Redox-Reaktion ein Stoff Elektronen ab und wird somit oxidiert, ein zweiter Stoff nimmt diese Elektronen auf und wird reduziert. Das bedeutet, die Elektronen werden von einem Stoff A auf einen anderen Stoff B übertragen. Diesen Elektronenfluss will man mit der Galvanischen Zelle nutzen, indem man die Stoffe räumlich trennt und durch ein Kabel verbindet, durch das dann die Elektronen von A nach B fließen. Man kann nun in diesen Stromkreis einen Verbraucher wie z.B. ein Lämpchen einbauen.

 

Der Aufbau der Zelle am Beispiel des Daniell-Elements (2:38)

Wie man nun praktisch die Teilreaktionen voneinander trennt und dennoch die Reaktion stattfinden kann betrachten wir am Beispiel des Daniell-Elements.
Das Daniell-Element besteht im simpelsten Fall aus einem Becherglas, das durch eine Membran in zwei Hälften geteilt wird.
In der linken Hälfte, der sog. linken Halbzelle, befindet sich Zinksulfat-Lösung. In diese Lösung taucht ein Stab aus Zink-Metall.
In der rechten Halbzelle befindet sich Kupfersulfat-Lösung in die ein Stab aus Kupfer eintaucht.
Laut Definition sind die Konzentrationen der Lösungen jeweils 1 .
Diese beiden Halbzellen sind also voneinander durch die Membran räumlich getrennt.
Die Membran muss semipermeabel sein, was halbdurchlässig bedeutet. Sie lässt nur bestimmte Teilchen von der einen in die andere Halbzelle passieren. Dies wird später wichtig beim Ladungsübertrag.

Die beiden Metallstäbe, die sog. Elektroden, sind über dem Becherglas verbunden durch einen Draht oder ein Kabel. In diese Verbindung zeichnet man meistens noch das Symbol für ein Voltmeter, ein einfaches Spannungsmessgerät. Bei Normalbedingungen misst man bei diesem Daniell-Element eine Spannung von ca. 1,1 Volt.

 

Einzelne Halbzellen-Reaktionen (5:40)

Zink-Elektrode: Taucht ein Zink-Stab in eine ZnSO4-Lösung, handelt es sich um eine Zink-Elektrode. Zinksulfat liegt in Lösung dissoziiert vor, dh. in der Lösung sind gleich viele Teilchen Zn2+ wie SO42- vor.
Beim Eintauchen des Zink-Stabes in die Lösung werden einige wenige Zn-Atome aus dem Stab herausgelöst und gehen als Zn2+ in die Lösung. Da diese Zink-Kationen zweifach positiv geladen sind hinterlassen sie im Zink-Stab zwei ihrer Elektronen. Es kommt an der Oberfläche des Zn-Stabes zu Ausbildung einer sog. Doppelschicht: an der Oberfläche des Metalls befindet sich ein Elektronenüberschuss, es ist eine Region negativer Ladung. Die Zink-Kationen halten sich in der Nähe dieser negativen Oberfläche auf, denn sie werden als positive Teilchen von der negativen Ladung angezogen. Das heißt, in der Lösung um den Stab herum bildet sich eine positiv geladene Schicht, da sich dort viele Zn2+ aufhalten.

Dies bedeutet, ein Potential hat sich aufgebaut: ein Ladungsunterschied zwischen den zwei Schichten der Doppelschicht.

 

 ....weiter gehts im zweiten Teil unten....

Teil 2 von 2:

Direktlink zum Video auf Youtube

Zusammenfassung in Textform (mit Zeitangaben)

Die Galvanische Zelle Teil II/II

 

Im ersten Teil des Videos wurde eine Definition für die „Galvanische Zelle“ erklärt, ihr Aufbau am einfachsten Vertreter, dem Daniell-Element erklärt und schematisch dargestellt, und erläutert, wie sich an einer Zink-Elektrode ein Potential ausbildet.

Dies ist nicht nur für die Zink-Elektrode so, sondern bei allen Metallen die in eine Lösung ihrer Metall-Ionen eintauchen. Nur die Stärke des sich ausbildenden Potentials ist jeweils unterschiedlich. Generell lautet die Regel: Je unedler ein Metall ist, desto eher gibt es Elektronen ab, desto größer ist die negative Ladung in der Elektrode.

 

Potentialunterschied im Daniell-Element ( 0:40 )

Im Daniell-Element wird eine Kupfer-Elektrode mit einer Zink-Elektrode verbunden. In der elektrochemischen Spannungsreihe kann man nachschauen, dass Zink ein unedleres Metall als Kupfer ist. Daher ist die Zink-Elektrode gegenüber der Kupfer-Elektrode negativer aufgeladen. Das trägt man als kleines Minus an der Zn-Elektrode und kleines Plus an der Cu-Elektrode in die Skizze des Elements ein.
Die negative Elektrode einer Galvanischen Zelle hat den Namen Anode ( merken: beide enthalten ein n).
Die positive Elektrode heißt in der Galvanischen Zelle Kathode (Merken: das t in Kathode sieht aus wie ein +).

 

Angleichung der Potentiale ( 3:09)

Dieser Potentialunterschied in den zwei Elektroden wird überwunden, wenn man die beiden durch einen Leiter verbindet. Dann können die Elektronen, die in der Zn-Elektrode „zu viel“ sind durch ein Kabel o.ä. zur Cu-Elektrode fließen. Der Elektronenfluss erfolgt also von der Zn- zur Cu-Elektrode. Das zeichnet man auch in die Skizze des Elements.

Gelangen die Elektronen von der Zn-Elektrode in die Cu-Elektrode, so laden sie die Oberfläche des Kupfer-Stabes negativ auf. Diese negative Ladung zieht die positiven Cu2+-Ionen aus der Kupfersulfatlösung an. Sie wandern also durch die Lösung zum Metall hin. Berühren sie das Metall, so nehmen sie die dort überschüssigen Elektronen auf, dh. sie werden reduziert und werden so vom Kation wieder zum ungeladenen Metall-Atom. Das bedeutet, am Kupfer-Stab scheidet sich „neues“ Kupfer ab.
Also sind in der Kupfer-Halbzelle nach einer Weile viel mehr SO42- Ionen als Cu2+-Ionen vorhanden, dh. es wäre dort ein Überschuss an negativ geladenen Teilchen.
In der Zink-Halbzelle löst sich der Zn-Stab gleichzeitig langsam auf in Elektronen, die abfließen, und Zn+-Ionen. Dh. es wäre dort ein Überschuss an positiv geladenen Teilchen.
Um das zu verhindern benutzt man eine semipermeable Membran als räumliche Trennung: sie lässt die Sulfat-Ionen zwischen der Cu- und der Zn-Halbzelle frei passieren. Das bedeutet, je mehr Elektronen von der Zn-Elektrode kommen, desto mehr Cu+ scheidet sich als elementares Kupfer an der Elektrode ab, desto mehr SO42—Ionen „wandern“ zur Zn-Elektrode, um die Ladung auszugleichen.

 

Kurzschreibweise (6:25)

In der Kurzschreibweise für die Galvanische Zelle gibt man alle Stoffe der Anode (samt Konzentration der Lösung), dann ein Symbol für die Membran ( ⅼⅼ ) und dann alle Stoffe der Kathode an.
Bei unserem Beispiel:     Zn/Zn2+   (1 mol/L )     ⅼⅼ     Cu2+/Cu   (1 mol/L )


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Weiterführende Videos

Um die Elektromotorische Kraft, also die Spannung zwischen den beiden Halbzellen zu berechnen, hilft dir das folgende Video

Wenn das Potential einer Halbzelle in Abhängigkeit von der Konzentration der darin enthaltenen Lösung bestimmt werden soll, hilft dir:

 

 

 

 

Diskussion

Kommentare   

 
-2 # Aufgae Gold Standardpotenti aldennis 2015-01-28 20:28
Hallo,
ich sitze an einer Prüfungsaufgabe , die mich abfragt, wie das Standardpotenti al von Gold zu bestimmen ist.

Verstehe ich das richtig, wenn ich z.B. die Cu-Elektrode und Cu-Lösung durch eine Gold-Elektrode und eine Ag2SO4-Lösung ersetze, die entstehende und messbare Spannung das Standardpotetia l von Gold gegen Zink ist?

Um dann auf "Standard" zu kommen, muss ich das System vermutlich auf Wasserstoff beziehen.
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0 # Elektrochemisch e SpannungsreiheNick 2015-01-26 11:29
Hallo!
Erstmal möchte ich mich bei Dir für die vielen Videos bedanken! Deine Erklärungen zu diversen Themen haben mir schon mehrfach weitergeholfen.

Jetzt habe ich eine konkrete Aufgabe zum Thema elektrochemisch e Spannungsreihe, mit der ich Probleme habe:

In eine Lösung, in der Mg(2-) und Zn(2+) Ionen enthalten sind, werden je ein Metallstreifen aus Mg, Zn und Cu getaucht. Was passiert an den Oberflächen der Blechstreifen?

Mein bisheriger Anzatz: Am Mg-Blech werden viele Mg(2+) Ionen gebildet, die wiederum die Mg(2-) Ionen aus der Lösung anziehen. Der Mg-Blechstreife n wird also dicker. Die Konzentration von Zn(2+) Ionen in der Lösung steigt damit. Am Zn-Blechstreife n gehen Zn(2+) Ionen in Lösung. Dieser Blechstreifen wird also abgebaut. Am Cu-Blech werden auch Kationen gebildet, aber das es ein edleres Metall ist, deutlich weniger. Ich könnte mir vorstellen, dass diese Cu(2+) Ionen sich auch am Mg-Blech anlagern. Ist das richtig bzw. kannst Du mir den Vorgang erklären?

Vielen Dank!
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0 # RE: Elektrochemisch e SpannungsreiheAlex 2015-01-26 21:42
Einmal posten reicht ;-)

Ich schalt ihn mal frei, kann aber momentan zeitlich bedingt noch nicht drauf eingehen.

Nur soviel: Mg(2-)-Ionen sind recht unwahrscheinlich...

Grüße,

alex
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0 # RE: Elektrochemisch e SpannungsreiheNick 2015-01-28 16:43
Sorry, hab überlesen das der Kommentar nicht sofort veröffentlicht wird und dachte beim senden ist was schief gegangen...
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0 # Elektronenfluß als TransportaufzugRalf Köneke 2014-11-06 13:38
Sehr geehrte Damen und Herren,
meine Überlegung ist folgende:
Wenn ich in einem Wasserschlauch einen Elektronenfluß laufen lassen kann, ist es möglich das dieser Elektronenfluß auch als Transportaufzug funktionieren kann. Ich möchte im Rhein einen Wasserschlauch auslegen, den Elektrodenfluß laufen lassen, und alle Metallteile vom Boden magnetisch ansaugen.Ist dieses Vorhaben möglich.
Für Ihre Bemühungen im Voraus meinen Dank, verbleibe ich.
Mit freundlichen Grüßen Ralf Köneke
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+3 # RE: Elektronenfluß als TransportaufzugAlex 2014-11-06 18:13
Hallo Herr Köneke,

Stromfluß und Magnetismus sind ja 2 paar Schuhe - zwischen 2 Elektroden können sich Ladungsträger/ Ionen bewegen, nicht aber ungeladene Teilchen, wie die genannten Metallteile. Um diese zu laden, müssten Sie in den Stromkreis integriert werden, was mit einem Schlauch zum "ansaugen" schwierig werden dürfte. Sie müssten ein elektrisches Feld zwischen Boden des Rheins und Schlauch aufbauen und dabei enorme Spannungen anwenden, um die Erdanziehung der Metallteile überwinden... Nebeneffekt dürfte aber unter anderem (zB. Elektrolyse) folgender sein: de.wikipedia.org/.../...

Ich denke, hier wäre die magnetische Variante vorzuziehen. Bitte informieren Sie mich, wie Sie mit diesem Projekt vorankommen ;-)

Grüße,

alex

PS: Es handelt sich hierbei um eine kurze Einschätzung ohne große Recherche oder Hintergrundwiss en um solche Prozesse. Sollte es Möglichkeiten dieser Art geben, lassen Sie es mich gern wissen.
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-6 # RE: Die Galvanische ZelleChemiehenne19 2014-03-09 20:52
Hallo,
die Videos sind echt Super nur leider ist dir ein kleiner Fehler unterlaufen!
Die negativ geladene Elektrode ist die Kathode und die positiv geladene Elektrode ist die Anode!
Aber sind es das Video sehr gut und verständlich erklärt.
LG
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+6 # RE: Die Galvanische ZelleAlex 2014-03-10 06:22
Nein, das ist falsch und war hier in den Kommentaren auch schon Thema.

Du beschreibst die Elektrodenbezei chung bei der Elektrolyse - hier ists umgekehrt.

Grüße,

alex
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+2 # RE: Die Galvanische ZelleLucy 2016-04-16 20:01
Galvanische Zelle
O xidatiob
M inuspol
A Anode
=Oma
Elektrolyse
O xidation
P luspol
A node
= Opa
Ist vielleicht leichter zu merken
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+6 # RE: Die Galvanische ZelleLuca 2013-12-01 21:04
Kurz und verständlich zusammengefasst . TOP
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+4 # RE: Die Galvanische ZelleAlex 2013-11-28 22:54
Schön ;-)

Zu Atomgröße gibts ja auch hier was:

alteso.de/.../...

Relevant hier ist aber wie gesagt Ionengröße+Hydr athülle, also umgebendes Wasser, das macht das ganze etwas komplizierter...

Zu deiner Frage:
Die Konzentrationen der Lösungen ändern sich ja permanent - Kupfer wird abgeschieden, also sinkt die CuSO4-Konzentra tion. Damit sinkt das Potential der Elektrode, damit also die "Kraft"... und damit die Leistung die gebracht werden kann. Schau mal hier bzgl. Potential einer Halbzelle:

alteso.de/.../...

Frag gern nach, wenn was unklar ist/ bleibt.

Grüße,

alex
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-1 # RE: Die Galvanische ZelleRose 2013-11-28 22:07
Das klingt logisch ;-) Danke! Ich habe eben mal nachgelesen, wovon die Ionengröße bzw. der Ionenradius abhängt und dann macht das bei einem Daniel-Element auch Sinn!
Ich habe nun allerdings noch eine Frage und zwar: Wann ist eine Batterie eigentlich "leer"? Die Funktionsweise einer Batterie wird meist recht gut erklärt, aber dieser Zusammenhang eher nicht.
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+2 # RE: Die Galvanische ZelleAlex 2013-11-28 19:23
Ich verstehs, gute Frage ;-)

Das hat was mit der Atomgröße bzw. besser der Ionengröße+Hydr athülle zu tun.
Werte dafür habe ich jetzt auf die Schnelle leider nicht gefunden. Ich schau mal und ergänze das gegebenenfalls.

Grüße,

alex
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0 # Semipermeable MenbranRose 2013-11-28 16:40
Hey, das Video ist echt super, nur habe ich eine weiterführende Frage zur semipermeablen Membran. Es wird gesagt, dass diese Die Sulfat-Ionen und auch die Zink-Ionen durchlässt, es aber für die Funktionsweise des Daniel-Elements nicht gut ist, wenn Kupfer-Ionen hindurchgelasse n werden. Warum findet dieser Kupfer-Ionen-Au stausch nicht statt oder findet er statt?
Ich hoffe man versteht mein Problem ;-)
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+2 # SUPER! DankeschönPrisonbreak 2013-11-14 01:55
super erklärt! Ich habe alles verstanden. Vielen Danke :lol:
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-1 # Viele Dank!Arne 2013-10-17 08:10
Na, wenns denn so einfach geht ;)
... Ist aber auch gemein, dass es dann doch immer mal anders wirkt ^^ Also auf jeden Fall nochmal vielen Dank nicht nur für das Video sondern, auch für das schnelle Antworten mit abermals guter Erklärung!
(übrigens tolle Plattform hier ;))
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+1 # RE: Die Galvanische ZelleAlex 2013-10-17 07:19
Hallo Arne,

Nee - Wikipedia will dir da nicht zustimmen ;-)

Da geht es um Elektrolyse, also Trennung durch Anlegen eines Stroms - das ist quasi das Gegenteil:

www.alteso.de/.../elektrolyse

Die Bezeichung ist bei Galv. Zelle und Elektrolyse umgekehrt, da also bitte aufpassen!

Hier mal ein Vergleich:

www.google.de/.../

Alles klar?
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-1 # Anode-Negativ?Arne 2013-10-17 01:00
Nun, dass Anionen negativ sind, ist mir bewusst. Aber ich dachte, dass die Anionen sich an der Anode sammeln -die somit positiv geladen sein muss- und vize versa bei den Kationen. Wikipedia will mir da auch ein bisschen zustimmen, jedoch ist der Artikel zur Anode konfuser als zum Anion. "Da sich negativ geladene Ionen bei einer Elektrolyse stets zur positiv geladenen Anode, dem Pluspol, bewegen, wurde für sie der Name Anionen gewählt." (quelle: de.wikipedia.org/wiki/Anion)
Ich bitte um Aufklärung, und danke für die tolle Erklärung der Galvanischen Zelle!
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+8 # RE: Die Galvanische ZelleIIBizzy 2013-04-22 21:55
Danke, besser kann mans kaum erklären :-) .
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+6 # KlasseRaphael 2013-01-10 22:02
Super erklärt! Vielen Dank :lol:
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+15 # RE: Die Galvanische ZelleHustler 2012-11-12 01:23
Ich kann dir nicht genug danken, du erklärst besser als meine Lehrer, bzw. besser als die meisten deiner Kollegen im Internet und das auch noch kostenlos!!!
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+5 # RE: Die Galvanische ZelleAlex 2012-10-09 23:44
Dankeschön! Ich hatte dir auch schon einmal per Mail geschrieben, leider kam keine Antwort.
Schreib mir doch einmal welche Rechnungen du gern hättest bzw. schick mir eine Beispielaufgabe an , dann schau ich mal, was sich machen lässt.

Grüße,

alex
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+8 # Feedback für die Videos des Daniell-Element sBenedikt Scheffler 2012-09-20 21:39
Hey, ich finde die Videos echt gut gelungen. Du kannst wirklich gut erklären und weißt was du sagst. - Nicht so wie viele andere!

Ich würde mir wünschen, dass es 1-2 Ergänzungsvideo s gibt. In diesem könnte man galövanische Zellen auf LK-Niveau erweitern. Bei uns spielen z.B. die ganzen Rechnungen eine Rolle.

Weiter so!

lg
DieStimmeDerZukunft (YouTube)
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