Galvanische Zelle: Aufbau + Funktion + Daniell-Element

Der Name der galvanischen Zelle ist auf den Italiener Luigi Galvani zurückzuführen. Dieser entdeckte, dass der Muskel eines Froschschenkels zuckt, wenn man den Nerv mit einem metallischen Werkzeug berührt. Dies ist dadurch zu erklären, dass ein Stromfluss entstanden ist.

Bei der galvanischen Zelle handelt es sich um einen Aufbau, bei welchem Stromfluss auftritt. Dies geschieht durch die frei werdende Energie einer spontan ablaufenden chemischen Reaktion. Die galvanische Zelle hat gegenüber einer herkömmlichen Redoxreaktion die Besonderheit, dass es keinen Elektronenübergang zwischen zwei reagierenden Stoffen gibt, sondern dass sich die Elektronen einen anderen Weg suchen. Dies erreicht man, indem man die beiden Stoffe voneinander trennt.

Einführung: Das Daniell-Element

Sehen wir uns hierzu eine ganz bestimmte Konstellation aus Metall und Metalllösung an. Betrachten wir Zink, eine Lösung aus , sowie Kupfer und eine Lösung aus . Nun bauen wir mit diesen Stoffen einen Versuch auf, der wie folgt aussieht:

Wir sehen, dass das Zinkblech in die Zinksulfat-Lösung gegeben wird, während das Kupferblech in die Kupfersulfat-Lösung getaucht wird. Die beiden Bleche sind mit einem Kabel verbunden. Außerdem ist ein Voltmeter montiert. Wir können außerdem sehen, dass die beiden Gefäße mit den verschiedenen Lösungen durch eine Salzbrücke miteinander verbunden sind.

Was werden wir hier nun beobachten können?

Wir sehen in diesem Bild das sogenannte Daniell-Element, welches den Aufbau einer einfachen galvanischen Zelle erklärt. Wir bezeichnen die beiden Stäbe, die in die Lösung getaucht sind, als Elektroden. Die Lösungen werden auch Elektrolyt-Lösungen genannt.

Funktion der galvanischen Zelle

Es findet eine spontane Reaktion statt, eine Redoxreaktion. Wie wir bereits wissen, findet kein direkter Elektronenübergang zwischen den reagierenden Stoffen statt, da diese ja räumlich voneinander getrennt sind. Folglich wird in einer Halbzelle die Oxidation und in der anderen die Reduktion stattfinden.

Woher weiß man nun in welcher Halbzelle die Oxidation und in welcher die Reduktion stattfindet?

Hierzu kann man die Begriffe „edel“ und „unedel“ verwenden. Man kann die verschiedenen Elektroden nach dem Standard-Redoxpotential in edler und unedler unterteilen, wobei die Elektrode mit dem höheren Redoxpotential edler ist.

Die Oxidation wird an der Elektrode ablaufen, die im Vergleich zur anderen ein geringeres Standard-Redoxpotential besitzt und damit auch unedler ist. Diese Standard-Redoxpotentiale kann man einer Auflistung entnehmen, welche auch als elektrochemische Spannungsreihe bezeichnet wird. Für Zink kann man aus dieser Spannungsreihe ein Standard-Redoxpotential von -0,76 ablesen, während es für das Kupfer +0,34 sind. Kupfer-Ionen gehen aus der Lösung an die Elektrode, wo sich diese absetzten.

Bei der anderen Halbzelle ist es genau umgekehrt: Die Elektrode, die aus Zink besteht, geht nach und nach in Lösung und bildet Ionen aus. Dabei gibt das Zink seine beiden Elektronen ab und man kann den Vorgang an der Zinkelektrode wie folgt beschreiben:

Die Oxidationszahl von Zink steigt demnach von [0] auf [+2]. Wie wir bereits durch das Standart-Redoxpotential und den Vergleich von edler und unedler wissen, findet also in der Zink-Halbzelle die Oxidation statt. Außerdem wissen wir, dass in der Kupfer-Halbzelle die Reduktion stattfinden muss. Wir können für diese Halbzelle festhalten:

Man sieht, dass die Oxidationszahl von Kupfer von [+2] auf [0] sinkt und das Kupfer deshalb reduziert wird. Die Redoxreaktion des Daniell-Elements lautet somit:

Aus den Halbreaktionen erkennt man, dass das Kupfer-Ion Elektronen benötigt, um in den elementaren Zustand zu gelangen. Gleichzeitig gibt das Zink Elektronen ab, um Ionen auszubilden. Würden die beiden Halbreaktionen nun nicht räumlich getrennt ablaufen, könnte das Kupfer-Ion die abgegebenen Elektronen des Zinks aufnehmen. Durch die räumliche Trennung entsteht allerdings eine Elektronendifferenz, welche ausgeglichen werden will. Da die beiden Kammern jedoch leitend miteinander verbunden sind, tritt ein Elektronenfluss auf, und zwar von der Anode zur Kathode, bzw. von der Zink- zur Kupferkammer.

Elektrische Neutralität wird durch die Salzbrücke erreicht, welche als Ionenbrücke dient. Diese schließt den elektrischen Stromkreis, wobei die Salz-Ionen mit keinem der Stoffe reagieren.

Nun lässt sich jedoch keine allgemeine Aussage darüber treffen, ob eine Elektrode eines bestimmten Elements denn als Anode oder als Kathode dient. Das hängt nämlich davon ab, welches Element in der anderen Halbzelle verwendet wird.

So ist das Kupfer zwar im Vergleich zum Zink edler, im Vergleich zu einer Silber-Halbzelle jedoch unedler. Der Elektronenfluss läuft auch in diesem Fall wie immer von der Anode zur Kathode. Da jedoch das Kupfer nun im Vergleich zum Silber unedler ist, wird Kupfer oxidiert und das Silber folglich reduziert. Also wird das Kupfer als Anode und das Silber als Kathode dienen. Der Elektronenfluss läuft von der Kupfer-Anode zur Silber-Kathode.

Dies ist dadurch zu erklären, dass die Metalle in Lösung gehen möchten, wodurch diese Ionen ausbilden. Dieses Bestreben bezeichnet man als Lösungsdruck. Der Lösungsdruck (und damit das Bestreben in Lösung zu gehen) ist umso höher, je unedler das Metall ist. Dem Lösungsdruck steht der Abscheidungsdruck gegenüber. Der Abscheidungsdruck beschreibt genau das umgekehrte Bestreben, also dass Metallkationen Elektronen aufnehmen und dadurch als Feststoff vorliegen. Der Abscheidungsdruck ist umso höher, je edler ein Metall ist.

Die Elektromotorische Kraft einer galvanischen Zelle

Um nun zu erklären, warum die Elektronen bei der galvanischen Zelle vom Zinkatom zum Kupferkation wandern, muss man die Kraft finden, die die Elektronen dazu bewegt. Diese Kraft wird auch als elektromotorische Kraft bezeichnet.

Diese ist für jede Elektrodenkombination verschieden. Außerdem ist die elektromotorische Kraft einer Zelle von diversen Faktoren abhängig. Im Folgenden werden wir jedoch stets von Standardbedingungen ausgehen. Diese Standardbedingungen sind auf 25 °C und einer Konzentration von 1 M bzw. bei Gasen einem Druck von 1 atm festgelegt. Unter diesen Standardbedingungen bezeichnet man die elektromotorische Kraft als . Dieser Wert ist für spontan ablaufende Reaktionen stets positiv.

Die Formel zur Berechnung der Standard-elektromotorischen Kraft lautet:

Wobei das Standart-Redoxpotential ist.

Berechnen wir als Beispiel die Standard-elektromotorische Kraft einer galvanischen Zelle mit Kupfer und Zink. Wie wir bereits wissen, wird dabei das Zink als Anode und das Kupfer als Kathode fungieren. Aus der elektrochemischen Spannungsreihe können wir die Standard-Redoxpotentiale für die Kathode und Anode entnehmen. Eingesetzt in die Formel erhält man: