Uhren, Haushaltsgeräte, Mobiltelefone oder sogar Kraftfahrzeuge. All diese Erfindungen haben eines gemeinsam. Sie basieren auf der Nutzung von Batterien und Akkumulatoren. Die Grundlage dieser? Ein sogenanntes Zelldiagramm.
Ein Zelldiagramm ist eine galvanische Zelle, die der spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie dient und als Gleichspannungsquelle fungiert. Die Kombination zweier Elektroden, verbunden mit einer leitenden Flüssigkeit, dem Elektrolyt, ergibt eine galvanische Zelle.
Aufbau einer galvanischen Zelle
Prinzipiell setzt sich ein galvanisches Element aus zwei verschiedenen Halbzellen zusammen, die räumlich voneinander getrennt sind. Jede Halbzelle besteht aus einer Elektrode eines bestimmten Metalls. Die Elektroden sind unterschiedlich geladen. Dabei stellt die negativ geladene Anode den Minuspol und die positiv geladene Kathode den Pluspol dar. Beide Halbzellen sind in eine Elektrolytlösung des gleichen Metalls der Elektrode eingetaucht. Um einen Elektronenaustausch zwischen den Lösungen der Halbzellen zu gewährleisten, werden diese entweder durch eine Elektrolytbrücke verbunden oder durch ein Diaphragma getrennt. Bei einem Diaphragma handelt es sich um eine durchlässige Trennschicht, welche verhindert, dass die Lösungen vermischt werden, aber dennoch eine Elektronenwanderung möglich macht. Durch das Verbinden der beiden Halbzellen mit einem Elektronenleiter mit Spannungsmessgerät wird der Stromkreis geschlossen.
Funktionsweise einer galvanischen Zelle am Beispiel des Daniell-Elements
In einer galvanischen Zelle findet immer spontan eine Redoxreaktion statt. Es handelt sich hierbei um eine chemische Reaktion, bei der Elektronen übertragen werden. Dabei gibt ein Reaktionspartner Elektronen ab (Oxidation), während der andere die Elektronen aufnimmt (Reduktion). Da die zu reagierenden Stoffe durch ein Diaphragma getrennt werden, kommt es zu keinem direkten Elektronenübergang. Folglich findet in der einen Halbzelle die Oxidation und in der anderen Halbzelle die Reduktion statt. Die Oxidation erfolgt immer an der Anode, die Reduktion an der Kathode.
Woher weiß man nun aber, in welcher Halbzelle die Oxidation und in welcher die Reduktion stattfindet? Metalle werden nach dem Standardelektrodenpotential (Redoxpotential) in edel und unedel unterteilt. Das Standardelektrodenpotential kann man aus der festgelegten Auflistung der elektrochemischen Spannungsreihe entnehmen. An der Elektrode, die im Vergleich zur anderen ein geringeres Redoxpotential besitzt, läuft die Oxidation ab. Sie ist dementsprechend unedler. Die Elektrode mit dem höheren Redoxpotential ist edler, hier erfolgt die Reduktion.
Besonders bekannt als Beispiel einer galvanischen Zelle ist das Daniell-Element. Hier stellt die Anode ein Zinkblech dar, welches in eine Zinksulfat-Lösung (ZnSO4) gegeben wird. Denn: Für Zink kann man aus der Spannungsreihe ein Standardelektrodenpotential von -0,76 ablesen. Das Standardelektrodenpotential beträgt für das Kupfer +0,35. Daher bildet das Kupferblech die Kathode, die in eine Kupfer(II)-sulfat-Lösung (CuSO4) getaucht wird.
Durch das Diaphragma kommt es zu einem Ladungsausgleich in den Lösungen. Die positiv geladenen Zinkionen wandern aus der Zinkhalbzelle in die Kupferhalbzelle, während die negativ geladenen Sulfationen von der Kupferhalbzelle in die Zinkhalbzelle übergehen.
Wenn die Halbzellen elektrisch miteinander verbunden werden, kann eine Spannung gemessen werden. Dabei fließen die Elektronen über einen Draht, an dem ein Spannungsmessgerät angeschlossen ist, von der Anode zur Kathode. Die Zinkatome (Zn) werden zu Zinkionen (Zn2+) oxidiert und gehen in Lösung. Aufgrund des Redoxpotentials lässt sich festhalten, dass Zink unedler als Kupfer ist. Dementsprechend groß ist das Bestreben von Zink, Elektronen abzugeben. Verhältnismäßig viele Zinkionen gehen daher in Lösung. Die Elektronen (e–) bleiben auf der Elektrode zurück. Es entsteht ein Elektronenüberschuss, die Elektrode lädt sich negativ auf (Anode=Minuspol).
Die Kupferionen (Cu2+) aus der Lösung werden durch die Aufnahme von Elektronen zu elementarem Kupfer (Cu) reduziert, das sich an der Elektrode abscheidet. Dadurch, dass mehr Kupferatome abgeschieden werden als Kupferionen in Lösung gehen, gibt es an der Kupferelektrode einen Elektronenmangel, wodurch sie sich positiv auflädt (Kathode=Pluspol).
Die unterschiedliche Aufladung der Elektroden führt zur Potenzialdifferenz. Demzufolge kommt es zu einem Stromfluss. Das galvanische Element liefert so lange Strom, bis entweder die Zinkelektrode oder die Kupferionen größtenteils verbraucht sind.
Reaktionsgleichungen
Oxidation: Zn (s) -> Zn2+(aq) + 2e–
Reduktion: Cu2+(aq) + 2e– -> Cu (s)
Gesamtreaktion: Zn (s) + Cu2+(aq) -> Zn2+(aq) + Cu (s)
Eine galvanische Zelle lässt sich durch ein Zelldiagramm darstellen. Dabei werden die einzelnen Phasen als Formeln der Stoffe aufgelistet. Links befindet sich die Anode und rechts die Kathode. Ein schräger Strich steht für die Phasengrenzfläche zwischen dem Metall und Elektrolyt. Der Doppelstrich veranschaulicht das Diaphragma.
Am Beispiel des Daniell-Elements gilt somit: Zn / Zn2+ // Cu2+ / Cu
Mein Name ist Anatoli Bauer und ich wohne im Norden an der Nordseeküste in Husum. Ich beschäftige mich leidenschaftlich gerne mit den Naturwissenschaften und interessiere mich vor allem für Physik und alles, was mit dem Weltraum und entfernten Planten zu tun hat.
