Die Galvanische Zelle

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 SO₄^2- 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.

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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 SO₄^2- 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 SO₄^2—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 )