Du kennst Batterien sind Energiespeicher. Sie stellen unabhängig vom Stromnetz Energie bereit, die du für den Betrieb von Taschenlampen, Smartphones, Computer, Kameras und vieles mehr verwenden kannst. Dabei wird die gespeicherte chemische Energie durch eine Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt.
Das galvanische Element
Eine Anordnung, bei der Oxidation und Reduktion räumlich voneinander getrennt sind, aber dennoch der Stromfluss durch eine metallische Leitung gewährleistet wird, heißt galvanisches Element oder galvanische Zelle und besteht aus zwei Halbzellen. Eine Halbzelle besteht aus z.B. einem Metall, dass in seine Ionenlösung (Elektrolyt) taucht. Die beiden Halbzellen sind durch ein Diaphragma getrennt. Ein Diaphragma ist eine poröse Trennwand, welche eine schnelle Durchmischung der beiden Lösungen verhindert, aber dennoch einen Ladungsausgleich durch Ionen ermöglicht. Die Spannung \(U\) zwischen den Halbzellen wird auch Potentialdifferenz \(\Delta E\) genannt. In einer galvanischen Zelle wird die chemische Energie der Redoxreation in elektrische Energie umwandeln.
Die Potentialdifferenz bei einem galvanischen Element
Das Potential \(E\) (entspricht der Spannung \(U\)) gibt an, wie leicht ein Stoff Elektronen aufnimmt oder abgibt. Das Potential ist ein Maß für die Stärke eines Oxidations- bzw. Reduktionsmittels (vgl. Standardpotential \(E^0\,\)). Die Redoxreaktion des galvanischen Elements ist folglich ein freiwillig ablaufender Vorgang.
\[\Delta E = E^0 \mathrm{(Oxidationsmittel}) - E^0 \mathrm{(Reduktionsmittel)} = E^0 \mathrm{(Kathode)}-E^0 \mathrm{(Anode)}\]
Das Daniell-Element als galvanische Zelle
Abb. 1 Versuch zum Daniell-Element
CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung;
Ein Daniell-Element ist eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und Zinkhalbzelle besteht. Ein Kupferstab und ein Zinkstab werden in ihre entsprechenden Ionenlösungen (z. B. Kupfersulfat und Zinksulfat) gestellt und leitend miteinander verbunden (vgl. Abb. 1). Hierbei ist die Kupfer-Elektrode die Kathode, also der Pluspol und die Zink-Elektrode die Anode, also der Minuspol. Das Diaphragma dient als Salz- oder Ionenbrücke dazu, die Diffusions-Durchmischung der Lösungen zu verhindern und dennoch einen Ladungsausgleich zu ermöglichen. Es kann durch das Anschließen eines Multimeters eine Spannung von \(1{,}1\rm\,{V}\) gemessen werden.
Funktionsweise eines galvanischen Elements am Beispiel des Daniell-Elements
Abb. 3 Der Aufbau eines Daniell-Elements
Auf Grund des unterschiedlichen Lösungsdrucks von Kupfer und Zink besitzt jede Halbzelle ein spezifisches elektrochemisches Potenzial. Da Kupfer ein edleres Metall als Zink ist, ist der Lösungsdruck von Kupfer geringer als die von Zink. In der Kupfer/Kupfersulfat-Halbzelle gehen also weniger Metallionen in Lösung als in der Zink/ Zinksulfat-Halbzelle. Folglich besitzt das Kupfer eine geringere negative Ladung als das Zink, d.h. dort liegt ein geringerer Elektronendruck vor. Indem man die beiden Halbzellen leitend miteinander verbindet, z.B. mithilfe eines Drahtes, fließen Elektronen vom Ort des höheren Elektronendrucks zum Ort des niedrigeren Elektronendrucks. In unserem Fall fließen also die überschüssigen Elektronen vom Zink zum Kupfer. In der Kupfer/Kupfersulfat-Halbzelle nehmen die Kupferionen aus der Kupfersulfat-Lösung diese Elektronen auf und Kupfer scheidet sich als Metall an der Elektrode ab. Folglich ist die Zink/ Zinksulfat-Halbzelle der Elektronendonator und die Kupfer/ Kupfersulfat-Halbzelle der Elektronenakzeptor. Da auf der einen Seite positive Zink-Ionen in Lösung gehen und auf der anderen Seite sich durch die Elektronenaufnahme Kupfer-Ionen als Kupferatome an der Elektrode ablagern, muss ein Ladungsausgleich stattfinden. Dies geschieht über die Ionenbrücke, durch die beim Daniell-Element negativ geladene Sulfat-Ionen von der Kupfer/Kupfersulfat-Halbzelle in die Zink/ Zinksulfat-Halbzelle gelangen.
Für das Daniell-Element gilt somit:
\[\Delta E = E^0 \ce{(Cu/Cu^{2+})} - E^0 \ce{(Zn/Zn^{2+})}\]
Abb. 4 Das Prinzip einer galvanischen Zelle