Anorganische Chemie

Galvanische Zelle

In diesem Artikel erklären wir dir alles zu der sogenannten galvanischen Zelle. Wir zeigen dir den grundsätzlichen Aufbau eines galvanischen Elementes und gehen näher auf dessen Funktionsweise ein. Außerdem erfährst du mehr zu den wichtigsten Beispielen einer galvanischen Zelle.

Du lernst besser auf audiovisuelle Weise? Dann eignet sich unser Video sicher perfekt für dich.

Inhaltsübersicht

Galvanische Zelle einfach erklärt

Du kannst die galvanische Zelle oft auch als galvanisches Element oder galvanische Kette bezeichnen. Galvanische Zellen bestehen grundsätzlich aus einer Kathode, einer Anode und einer leitfähigen Flüssigkeit (Elektrolyt). Das Ziel einer galvanischen Zelle ist es, chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Somit sind die Vorgänge eines galvanischen Elements die Umkehrung der Elektrolyse .

Ein wichtiges Merkmal der Reaktionen im galvanischen Element ist, dass die Redoxreaktionen dort spontan ablaufen. Außerdem herrscht zwischen diesen reagierenden Stoffen keine Elektronenübertragung, sodass die Elektronen meist einen anderen Weg gehen.

Galvanische Zelle Aufbau

Der allgemeine Aufbau der galvanischen Zelle ähnelt dem der Elektrolyse. Jedoch gibt es einen wichtigen Unterschied:
Bei der galvanischen Zelle stellt die Anode den Minuspol dar und die Kathode den Pluspol (bei der Elektrolyse ist dies genau umgekehrt). Die Elektronen fließen aber trotzdem noch von der Anode zur Kathode.

Außerdem findet in der galvanischen Zelle kein direkter Elektronenübertrag statt. Grund dafür ist, dass die beiden Elektroden voneinander räumlich getrennt sind. Somit laufen auch Reduktion und Oxidation getrennt in je einer Halbzelle (Halbelement) ab.

Galvanische Zelle - Aufbau, Galvanisches Element, Galvanische Kette
direkt ins Video springen
Galvanische Zelle – Aufbau

Galvanische Zelle Funktionsweise

Um zu unterscheiden, in welcher Halbzelle eine Reduktion und in welcher eine Oxidation stattfindet, kannst du die Elektroden in „edel“ und „unedel“ einteilen. Diese Einteilung erfolgt je nachdem, wie hoch die Bereitschaft der Ionen ist, Elektronen aufzunehmen. Das Maß für diese Bereitschaft ist das sogenannte Redoxpotential unter Standardbedingungen oder auch Standardelektrodenpotential genannt. Die Auflistung dieser Standardelektrodenpotentiale findet sich in der elektrochemischen Spannungsreihe wieder.

Die Elektrode kannst du als „edel“ bezeichnen, wenn sie eine hohe Bereitschaft hat, Elektronen aufzunehmen. Bei einer niedrigen Bereitschaft kannst du sie entsprechend in „unedel“ einteilen.

Je negativer das Redoxpotential ist, desto stärker ist die Reduktionskraft der jeweiligen Elektrode. Die Elektronen fließen immer vom Redoxpaar mit negativerem Potential zu demjenigem mit dem positiveren Potential. Als Redoxpaar wird ein System bezeichnet, in denen ein Oxidationsmittel neben einem korrespondierenden Reduktionsmittel vorliegt. Dabei stellt sich immer ein Gleichgewicht nach dem Massenwirkungsgesetz ein.

Ein Beispiel dafür sind für ein Redoxpaar mit einem höheren Redoxpotential von +0,34 ist das Paar Cu/Cu^{2+}. Das Redoxpaar Zn/Zn^{2+} besitzt ein Redoxpotential von -0,76.

Wenn du bestimmen möchtest, welche Spannung zwischen den beiden Halbelementen der galvanischen Zelle herrscht, hilft dir die sogenannte Nernst Gleichung weiter. In unserem Artikel dazu erklären wir dir wie diese aussieht, was sie aussagt und wie du sie herleiten kannst. Außerdem erfährst du noch Etwas zur praktischen Anwendung der Nernst Gleichung unter anderem für die pH Wert Berechnung und bei Konzentrations-Zellen.

Galvanische Zelle Einteilung

Grundsätzlich kannst du galvanische Zellen in drei Gruppen einteilen:

  1. Primärzellen: Primärzellen sind galvanische Elemente, die nach der Entladung nicht wieder neu aufgeladen werden können. Die Entladung ist also unumkehrbar. Deshalb werden Primärzellen auch umgangssprachlich als Batterien bezeichnet.
  2. Sekundärzellen: Die Besonderheit an Sekundärzellen ist, dass sie nach einer Entladung wieder aufgeladen werden können. Voraussetzung dafür ist aber, dass die Stromrichtung der Aufladung gegenläufig zu der Stromrichtung der Entladung ist. Diese Zellen sind dir bestimmt unter dem Namen Akku oder Akkumulator bekannt.
  3. Tertiärzellen. Bei den Tertiärzellen wird der chemische Energieträger nicht in der Zelle gespeichert, sondern wird von außen durchgehend zur Verfügung gestellt. Im Prinzip kannst du dadurch einen zeitlich unbeschränkten Betrieb gewährleisten. Die Tertiärzellen sind dir eventuell schon unter dem Namen Brennstoffzelle bekannt.

Galvanische Zelle Beispiele

Durch die erhöhte Tendenz von Metallen, in Lösung zu gehen und dadurch Ionen zu bilden, lassen sich die unterschiedlichsten Arten von galvanischen Elementen bilden.

Nachfolgend erklären wir dir den Aufbau und die Funktion einiger der wichtigsten Beispiele für eine galvanische Zelle.

Daniell Element

Eines der bekanntesten Beispiele ist das sogenannte Daniell Element oder auch Daniell´sches Element. Dieses besteht aus einem Kupferstab in einer Kupfersulfatlösung (CuSO_4) und einem Zinkstab in einer Lösung aus Zinksulfat (ZnSO_4). Das Zink hat ein negatives Redoxpotential (-0,76) und das Kupfer besitzt ein positives Redoxpotential (+0,34). Da Zink unedler ist als Kupfer, ist das Bestreben von Zink in Lösung zu gehen größer. Dadurch gehen an der Zinkanode verhältnismäßig viele positiv geladene Zinkionen (Zn^{2+}) in Lösung. An der Kupferkathode lösen sich somit nur wenige Ionen (Cu^{2+}) ab.

Da in der Zinkelektrode mehr Elektronen zurückgelassen werden, ist sie negativer geladen als die Kupferelektrode. Dadurch bildet sich eine elektrische Spannung aus. Weil die Elektroden immer vom negativeren zum positiveren Redoxpotential gehen, fließen die überschüssigen Elektronen über einen Leiter von der Zinkelektrode zur Kupferelektrode.

Die ablaufenden Reaktionen sehen wie folgt aus:

Anode (Oxidation): Zn \longrightarrow Zn^{2+} + 2e^-

Kathode (Reduktion): Cu^{2+} + 2e^- \longrightarrow Cu

Gesamtreaktion (Redoxreaktion): Zn + Cu^{2+} \longrightarrow Zn^{2+} + Cu

Galvanische Zelle Beispiel - Daniell Element, Galvanisches Element, Galvanische Kette
direkt ins Video springen
Galvanische Zelle Beispiel – Daniell Element

Leclanche Element

Das sogenannte Leclanche Element ist eine Primärzelle, also eine Batterie. Es besteht aus einer Zinkanode und einer Kathode aus einer gepressten Mischung aus Braunstein (MnO_2) und Kohlenstoff. Der Elektrolyt ist eine Ammoniumchloridlösung (NH_4Cl).

Bei der Stromabgabe laufen vereinfacht folgende Reaktionen ab:

Anode (Oxidation): Zn \longrightarrow Zn^{2+} + 2e^-

Kathode (Reduktion): 2MnO_2 + 2NH_4^+ + 2e^- \longrightarrow 2MnO(OH) + 2NH_3

Gesamtreaktion (Redoxreaktion): Zn + 2MnO_2 + 2NH_4^+ \longrightarrow [Zn(NH_3)_2]^{2+} + 2MnO(OH) + H_2O

Galvanische Zelle Beispiel - Leclanché Element, Galvanisches Element, Galvanische Kette
direkt ins Video springen
Galvanische Zelle Beispiel – Leclanché Element

Lithium Ionen Akku

Der Lithium Ionen Akku oder auch Lithium-Ionen-Akkumulator ist eine Sekundärzelle. Er besteht aus einer Aluminiumschicht auf der einen Seite und einer Kupferschicht auf der anderen Seite. Diese sorgen für eine geeignete Leitfähigkeit.

Die Anode besteht aus einer Graphitelektrode und die Kathode aus einer Mischung von Metallsalzen wie z.B. Lithium-, Cobalt-, Mangan- oder Nickeloxiden (Li_2MnO_2). Der Elektrolyt besteht meist aus einem organischen Lösungsmittel mit einem Lithiumsalz. Beim Laden des Akkus nimmt der Graphit Lithiumionen im Graphit auf. Beim Entladen werden Lithiumionen von den Metalloxiden eingelagert. Die Lithiumionen wandern beim Laden und Entladen zwischen den Elektroden hin und her.

Du solltest dir merken, dass die Anode beim Laden mit dem Pluspol verbunden ist und die Kathode mit dem Minuspol. Beim Entladen sind Kathode und Anode genau entgegengesetzt verbunden.

Die Reaktionen beim Laden und Entladen sehen wie folgt aus:

Laden:

Anode (Oxidation): Li_2MnO_2 \longrightarrow MnO_2 + 2 Li^+ + 2e^-

Kathode (Reduktion): Graphit + 2e^- + 2Li^+ \longrightarrow Li_2 Graphit

Entladen:

Anode (Oxidation): Li_2 Graphit \longrightarrow Graphit + 2e^- + 2Li^+

Kathode (Reduktion): MnO_2 + 2Li^+ + 2e^- \longrightarrow Li_2 Mn O_2

Galvanische Zelle Beispiel - Lithium-Ionen-Akku, Galvanisches Element, Galvanische Kette
direkt ins Video springen
Galvanische Zelle Beispiel – Lithium-Ionen-Akku

Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ist eine sogenannte Tertiärzelle. Diese wandelt die chemische Reaktionsenergie eines durchgehend zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie.

Die Funktionsweise der Brennstoffzelle ist ähnlich zu der Funktionsweise einer Batterie. Die chemischen Reaktionspartner dabei sind Wasserstoff und Sauerstoff.

Das Prinzip der Brennstoffzelle basiert auf folgender Reaktionsgleichung:

2H_2 + O_2 \longrightarrow 2H_2 O


Andere Nutzer halten diese Inhalte aus dem Bereich „Anorganische Chemie“ für besonders klausurrelevant

Hallo, leider nutzt du einen AdBlocker.

Auf Studyflix bieten wir dir kostenlos hochwertige Bildung an. Dies können wir nur durch die Unterstützung unserer Werbepartner tun.

Schalte bitte deinen Adblocker für Studyflix aus oder füge uns zu deinen Ausnahmen hinzu. Das tut dir nicht weh und hilft uns weiter.

Danke!
Dein Studyflix-Team

Wenn du nicht weißt, wie du deinen Adblocker deaktivierst oder Studyflix zu den Ausnahmen hinzufügst, findest du hier eine kurze Anleitung. Bitte lade anschließend die Seite neu.