Was ist eine galvanische Zelle und was ist das Daniell-Element? Alles zum Aufbau und der Funktionsweise einer galvanischen Zelle erklären wir dir mit vielen Beispielen hier im Beitrag oder direkt im Video !
Eine galvanische Zelle (auch galvanische Kette oder galvanisches Element) ist ein Aufbau, bei dem chemische in elektrische Energie umgewandelt wird. Eine galvanische Zelle besteht dabei aus zwei verschiedenen Elektroden (Anode, Kathode) und einer leitfähigen Flüssigkeit, dem Elektrolyten.
Besonders bekannt ist das sogenannte Daniell-Element, das aus einer Zink- und einer Kupferelektrode besteht.
Im galvanischen Element findet eine Redoxreaktion statt, die freiwillig abläuft. Es werden also Elektronen übertragen. Dabei sind die Orte der Teilreaktionen, also der Reduktion und der Oxidation, voneinander getrennt. Damit Strom fließen kann, sind beide Orte elektrisch leitend über einen Draht miteinander verbunden.
Dein Handy-Akku oder auch eine Batterie sind Beispiele für galvanische Zellen.
Der allgemeine Aufbau einer galvanischen Zelle sieht folgendermaßen aus.
Ein galvanisches Element hat zwei verschiedene Elektroden:
Aufgepasst: Bei einer Elektrolyse ist die Anode der Pluspol und die Kathode der Minuspol! Dabei handelt es sich sozusagen um die Umkehrreaktion der galvanischen Zelle, bei der aus elektrischer Energie chemische Energie gewonnen wird.
Beide Elektroden einer galvanischen Zelle befinden sich in einer (oder zwei verschiedenen) Elektrolytlösung(en). Bei Metallen ist das in der Regel die dazugehörige Metallionenlösung. Bei Kupfer (Cu) also beispielsweise eine Lösung aus Kupferionen (Cu2+). Die Kombination aus Elektrode und Elektrolytlösung nennst du Halbzelle oder Halbelement.
Eine galvanische Zelle besteht also aus zwei Halbzellen, die räumlich getrennt sind. Somit laufen auch die Teilreaktionen der Redoxreaktion — Reduktion und Oxidation — getrennt in je einer Halbzelle ab. Hier gilt:
Du schreibst eine galvanische Zelle oft auch in der Kurzschreibweise. Hierfür trennst du die beiden Halbzellen mit einem Doppelstrich ( | | ). Er soll die poröse Trennwand, das Diaphragma, darstellen. Meist steht die Anode zudem links, die Kathode rechts.
Am Beispiel einer Zink- und Kupferhalbzelle, also dem Daniell-Element, schreibst du:
Zn | Zn2+ | | Cu2+ | Cu
In einer galvanischen Zelle findet eine Redoxreaktion statt, es werden also Elektronen übertragen.
Damit du weißt, in welcher Halbzelle eine Reduktion (Elektronenaufnahme) und in welcher eine Oxidation (Elektronenabgabe) stattfindet, schaust du dir am besten die Redoxreihe an. Dort sind die Elemente nach ihrem sogenannten Redoxpotential bei Standardbedingungen geordnet. Du nennst es auch Standardelektrodenpotential. Darunter verstehst du das Maß für die Bereitschaft eines Elements Elektronen aufzunehmen. Hier gilt:
Die Elektronen fließen immer von dem Redoxpaar mit dem negativeren Potential zu dem Redoxpaar mit dem positiveren Potential. Oder anders formuliert: Die Elektronen fließen von der Anode zur Kathode.
Als Redoxpaar bezeichnest du die reduzierte und oxidierte Form eines Stoffes. Ein Beispiel dafür ist das Redoxpaar von Kupfer Cu | Cu2+ oder von Zink Zn | Zn2+. Beide kommen im Daniell-Element vor.
Werden beide Halbzellen mit einem Draht und einem Ionenleiter verbunden, kannst du die Spannung des elektrischen Stroms messen. Je nachdem, welche Elemente du kombinierst bzw. welche Konzentrationen die Elektrolytlösungen haben, unterscheidet sich die Spannung.
Wenn du bestimmen willst, welche Spannung zwischen den beiden Halbelementen der galvanischen Zelle herrscht, hilft dir die sogenannte Nernst Gleichung weiter. Schau unbedingt bei unserem Video dazu vorbei und finde heraus, wie du sie korrekt anwendest!
Anode: Elektrode, an der die Oxidation stattfindet.
Kathode: Elektrode, an der die Reduktion stattfindet
Tipp: Wenn du die Eselsbrücken der Anode beherrscht, dann denke daran, dass es sich bei der Kathode, um das Gegenteil handelt: also Pluspol und Reduktion.
Ein sehr bekanntes Beispiel für die galvanische Zelle ist das Daniell-Element oder auch Daniell’sches Element. Es besteht aus einer Kupfer- und einer Zinkhalbzelle.
Das Daniell-Element ist folgendermaßen aufgebaut:
So funktioniert das Daniell-Element:
Bei einem Daniell-Element laufen also folgende Reaktionen ab:
Anode (Oxidation): Zn → Zn2+ + 2 e–
Kathode (Reduktion): Cu2++ 2e– → Cu
Gesamtreaktion (Redoxreaktion): Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
Grundsätzlich kannst du galvanische Zellen in drei Gruppen einteilen:
Je nachdem, welche Halbzellen du miteinander kombinierst, bilden sich die unterschiedlichsten Arten von galvanischen Elementen.
Hier erklären wir dir den Aufbau und die Funktion wichtiger Beispiele für eine galvanische Zelle:
Das Leclanché Element (auch Zink-Braunsteinzelle) ist eine Primärzelle, also eine Batterie. Es ist folgendermaßen aufgebaut:
Bei der Stromabgabe laufen vereinfacht folgende Reaktionen ab:
Anode (Oxidation): Zn → Zn2+ + 2 e–
Kathode (Reduktion): 2MnO2 + 2NH4+ + 2e– → 2MnO(OH) + 2NH3
Gesamtreaktion (Redoxreaktion): Zn + 2MnO2 + 2NH4+ → [Zn(NH3 )2]2+ + 2MnO(OH) + H2O
Der Lithium-Ionen-Akku oder Lithium-Ionen-Akkumulator ist eine Sekundärzelle. Er besteht auf der einen Seite aus einer Aluminiumschicht und einer Kupferschicht auf der anderen Seite. Sie sorgen für eine geeignete Leitfähigkeit.
Der Aufbau des Akkus sieht so aus:
Der Lithium-Ionen-Akku funktioniert so:
Die Reaktionen beim Laden und Entladen sehen wie folgt aus:
Laden:
Anode (Oxidation): Li2MnO2 → MnO2 + 2 Li+ + 2e–
Kathode (Reduktion): Graphit + 2e– + 2 Li+ → Li2Graphit
Entladen:
Anode (Oxidation): Li2Graphit → Graphit + 2e– + 2 Li+
Kathode (Reduktion): MnO2 + 2 Li+ + 2e– → Li2MnO2
Merke: Die Anode ist beim Laden mit dem Pluspol verbunden und die Kathode mit dem Minuspol. Beim Entladen sind Kathode und Anode genau entgegengesetzt verbunden.
Die Brennstoffzelle ist eine Tertiärzelle. Sie wandelt die chemische Reaktionsenergie eines durchgehend zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um.
Die Funktionsweise der Brennstoffzelle ist ähnlich zu der Funktionsweise einer Batterie. Ein Beispiel ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle. Hier sind die chemischen Reaktionspartner die Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff(O2).
Das Prinzip der Brennstoffzelle kannst du mit folgender Reaktionsgleichung beschreiben:
2 H2 + O2 → 2 H2O
Bei einer Galvanischen Zelle läuft die Redoxreaktion freiwillig ab. Das ist bei einer Elektrolyse nicht der Fall. Es handelt sich dabei nämlich um eine gezwungene Redoxreaktion. Wie eine Elektrolyse genau funktioniert, erklären wir dir hier im extra Video !
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