Galvanische Zellen

Eine galvanische Zelle (auch: galvanisches Element, galvanische Kette) besteht aus zwei leitend miteinander verbundenen Halbzellen, deren Losungen iiber eine porose durchlassige Trennwand (Diaphragma) oder einen Stromschlussel in Kontakt stehen.

Die Kombination Zinkhalbzelle – Kupferhalbzelle (Abb. 7.2) geht auf Daniell (1836) zu – riick. Sie stellt eine der altesten bekannten elektrochemischen Zellen zur Stromerzeugung dar, Kurzschreibweise: Zn/Zn2+//Cu2+/Cu. Der Schragstrich symbolisiert die Phasengrenze fest/flUssig, die beiden Halbzellen werden durch einen Doppelstrich getrennt. Vereinba – rungsgemaB steht links immer die Donatorzelle (elektronenliefemd) und rechts die Akzep – torzelle (elektronenaufnehmend). Unterscheiden sich die Konzentrationen der Salzlosun – gen, werden diese in Klammem nach den Ionensymbolen eingefugt, z. B. Zn2+ (0,02 mol/1) bzw. Cu2+ (0,5 mol/1).

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Abbildung 7.2 Daniell-Element (Schematischer Aufbau)

Wie Abb. 7.2. zeigt, bildet im Daniell-Element die Zinkelektrode den Minuspol (Anode) und die Kupferelektrode den Pluspol (Katode). Im ReaktionsgefaB I (Zn-Halbzelle) gehen Zn2+-Ionen von der Zn-Elektrode in Losung, wahrend im GefaB II (Cu-Halbzelle) Cu2+- Ionen an der Kupferelektrode abgeschieden werden. Die Elektronen flieBen demnach vom Zink zum Kupfer. Folgende Teilreaktionen laufen ab:

Halbzelle I (Redoxpaar I): Halbzelle II (Redoxpaar II):

Zn ——— ► Zn2+ + 2e~ Cu2+ + 2e_ ————– ► Cu

(Oxidation) (Reduktion)

Gesamtreaktion (Zellenreaktion):

Zn + Cu2+ ————- ► Zn2+ + Cu.

Die Zn-Elektrode lost sich langsam auf, wahrend die Masse der Cu-Elektrode allmahlich zunimmt. Durch die ablaufenden Reaktionen entstehen im ReaktionsgefaB I uberschiissige positive Ladungen. Im Reaktionsraum II stellt sich dagegen ein Defizit an positiven Ladun – gen und damit ein Uberschuss an negativen Ladungen ein. Der Ladungsausgleich erfolgt im Ergebnis der Ionenwanderung durch das Diaphragma (porose Scheidewand). Negativ ge – ladene Sulfationen der Kupferhalbzelle wandem zur Zinkhalbzelle und kompensieren den

Uberschuss an positiven Ladungen. Die positiven Zinkionen der Zn-Halbzelle wandem in entgegengesetzte Richtung zur Kupferzelle und kompensieren dort die iiberschussigen ne – gativen Ladungen. Zum Ladungsausgleich konnen auch Salze eingesetzt werden, die mit den Salzlosungen der galvanischen Kette keine Ionenart gemeinsam haben. Beispielsweise wandem aus einem mit KCl-Losung gefiillten Stromschliissel (Salzbrucke), der in beide GefaBe eintaucht, die K+-Ionen zum Katodenraum (Cu-Halbzelle) und die Chloridionen zum Anodenraum (Zn-Halbzelle).

Bei der Kombination zweier Metallhalbzellen zu einer galvanischen Kette bildet generell das unedlere Metall die Anode. Die Metallatome gehen unter Elektronenabgabe als Katio – nen in die Elektrolytlosung iiber (Oxidation). Damit entsteht am unedlen Metall ein Elek- tronentiberschuss (.Minuspol). Das edlere Metall bildet stets die Katode. Durch die Entla – dung der Kationen (Reduktion) bildet sich ein Elektronenmangel aus. Die Katode stellt somit den Pluspol dar.

Im Unterschied zu den Verhaltnissen bei einer Elektrolyse (Кар. 7.5) ist bei galvanischen Elementen die Anode der Minuspol und die Katode der Pluspol. Die Oxidation findet am Minuspol und die Reduktion am Pluspol statt.

Die galvanische Zelle bildet die Messanordnung fur die Bestimmung quantitativer Werte des Oxidations – und Reduktionsvermogens der Metalle und Nichtmetalle.