Mit Google fortfahren
Galvanisches Element: Aufbau und Funktion verstehen
Ein galvanisches Element wandelt die Energie einer freiwillig ablaufenden Redoxreaktion in elektrische Energie um. Dafür laufen Oxidation und Reduktion in getrennten Halbzellen ab: Elektronen fließen außen durch einen Leiter, Ionen sorgen innen für den Ladungsausgleich.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
So ist ein galvanisches Element aufgebaut
Stell dir zwei Gefäße vor: In jedem taucht eine Elektrode in eine Elektrolytlösung. Ein Draht verbindet die Elektroden. Eine Salzbrücke oder eine poröse Trennwand verbindet die Lösungen.
Halbzelle
Eine Halbzelle besteht aus einer Elektrode und dem zugehörigen Elektrolyten. Bei einer Metallhalbzelle taucht zum Beispiel ein Metall in eine Lösung seiner Metallionen.
Die Bauteile haben unterschiedliche Aufgaben:
- Elektrode: Hier findet eine Elektronenübertragung statt.
- Elektrolyt: Die Lösung enthält bewegliche Ionen.
- Äußerer Leiter: Durch ihn fließen Elektronen zwischen den Elektroden.
- Salzbrücke oder Diaphragma: Ionen können hindurchwandern und Ladungen ausgleichen.
Anode bedeutet Oxidation, Kathode bedeutet Reduktion. Diese Zuordnung richtet sich nach der Reaktion, nicht nach dem Plus- oder Minuszeichen.
So liefert das Daniell-Element Strom
Das Daniell-Element verbindet eine Zinkhalbzelle mit einer Kupferhalbzelle. Seine Zellschreibweise lautet:
$$\mathrm{Zn\mid Zn^{2+}\parallel Cu^{2+}\mid Cu}$$
Links steht die Zinkhalbzelle, rechts die Kupferhalbzelle. Der Doppelstrich kennzeichnet die Ionenverbindung zwischen beiden Lösungen.
Zink gibt leichter Elektronen ab als Kupfer. Deshalb läuft der Vorgang so ab:
- An der Zinkelektrode werden Zinkatome oxidiert.
- Die frei werdenden Elektronen fließen durch den Draht von Zink zu Kupfer.
- An der Kupferelektrode nehmen Kupferionen die Elektronen auf und werden zu Kupfer reduziert.
Anode, Oxidation:
$$\mathrm{Zn\rightarrow Zn^{2+}+2e^-}$$
Kathode, Reduktion:
$$\mathrm{Cu^{2+}+2e^-\rightarrow Cu}$$
In beiden Teilgleichungen treten zwei Elektronen auf. Beim Addieren kürzen sie sich heraus:
$$\mathrm{Zn+Cu^{2+}\rightarrow Zn^{2+}+Cu}$$
Damit ist Zink das Reduktionsmittel: Es gibt Elektronen ab und ermöglicht die Reduktion der Kupferionen.
Während des Betriebs wird die Zinkelektrode dünner. An der Kupferelektrode lagert sich Kupfer ab, sodass ihre Masse zunimmt.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Im Daniell-Element wird Zink an der . Die Elektronen fließen außen . Kupferionen werden an der reduziert.
Darum ist die Salzbrücke unverzichtbar
Ein Draht allein schließt den Stromkreis nicht dauerhaft. In der Zinkhalbzelle entstehen zusätzliche positive $\mathrm{Zn^{2+}}$-Ionen. In der Kupferhalbzelle werden positive $\mathrm{Cu^{2+}}$-Ionen verbraucht. Ohne Ausgleich würden sich die Lösungen elektrisch aufladen und der Elektronenfluss käme zum Stillstand.
Die Ionenverbindung gleicht diese Ladungsverschiebung aus. Allgemein wandern Anionen zur Anodenseite und Kationen zur Kathodenseite. Welche Ionen tatsächlich wandern, hängt vom verwendeten Elektrolyten und von der Salzbrücke ab.
Beim Daniell-Element entstehen an der Zinkanode positive Zinkionen. Negative Ionen können zur Zinkseite wandern und den positiven Ladungsüberschuss ausgleichen. Auf der Kupferseite werden Kupferionen verbraucht; positive Ionen können dorthin wandern und den relativen Überschuss negativer Ladung ausgleichen.
So entstehen Polung und Zellspannung
In einer galvanischen Zelle ist die Anode der Minuspol, weil dort Elektronen abgegeben werden. Die Kathode ist der Pluspol, weil dort Elektronen aufgenommen werden. Die Elektronen fließen daher von der Anode zur Kathode.
Die Zellspannung ist die Potenzialdifferenz der beiden Halbzellen. Unter Standardbedingungen gilt:
$$U^0=E^0(\text{Kathode})-E^0(\text{Anode})$$
Je positiver das Standardpotenzial eines Redoxpaares ist, desto eher nimmt seine oxidierte Form Elektronen auf. Das Redoxpaar mit dem positiveren Wert bildet daher bei der freiwilligen Reaktion die Kathode.
Vertiefung: Spannung des Daniell-Elements berechnen
Für $\mathrm{Cu^{2+}/Cu}$ gilt ungefähr $E^0=+0{,}34\,\mathrm{V}$, für $\mathrm{Zn^{2+}/Zn}$ ungefähr $E^0=-0{,}76\,\mathrm{V}$.
Kupfer ist die Kathode, Zink die Anode. Deshalb:
$$U^0=0{,}34\,\mathrm{V}-(-0{,}76\,\mathrm{V})=1{,}10\,\mathrm{V}$$
Das Ergebnis passt zur messbaren Spannung von ungefähr $1{,}1\,\mathrm{V}$. Während der Entladung ändern sich die Ionenkonzentrationen; dadurch kann sich auch die Spannung ändern.
Galvanisches Element und Elektrolyse unterscheiden
Beide Systeme besitzen Anode und Kathode. Der entscheidende Unterschied liegt in der Energieumwandlung und in der Polung.
| Merkmal | Galvanisches Element | Elektrolyse |
|---|---|---|
| Reaktion | läuft freiwillig ab | wird durch elektrische Energie erzwungen |
| Energieumwandlung | chemisch zu elektrisch | elektrisch zu chemisch |
| Anode | Oxidation, Minuspol | Oxidation, Pluspol |
| Kathode | Reduktion, Pluspol | Reduktion, Minuspol |
Die Elektrodennamen bleiben an die Reaktionen gebunden: Anode = Oxidation, Kathode = Reduktion. Nur die Polung wechselt zwischen galvanischem Element und Elektrolyse.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Galvanisches Element
- Aufbau: zwei Halbzellen, äußerer Leiter, Ionenverbindung
- Anode: Oxidation, Elektronenabgabe, Minuspol
- Kathode: Reduktion, Elektronenaufnahme, Pluspol
- Ladungstransport: Elektronen außen, Ionen innen
- Daniell-Element: Zink zu Kupfer, ungefähr 1,1 V
- Zellspannung: Potenzialdifferenz der Halbzellen