Galvanische Zelle

Ein Element, welches als elektrische Stromquelle, dient bezeichnet man als galvanische oder voltaische Zelle. Die Funktion einer galvanischen Zelle beruht auf der Tatsache, dass die Tendenz Elektronen abzugeben bei verschiedenen Metallen (dies gilt auch für Nichtmetalle) unterschiedlich stark ist. So haben die Erdalkalimetalle Lithium und Natrium ein sehr starkes Bestreben Elektronen abzugeben. Sie sind somit sehr gute Reduktionsmittel.

Definition: Reduktionsmittel: Einen Stoff der die Reduktion eines Anderen fördert, dabei aber selber oxidiert wird, bezeichnet man als Reduktionsmittel.

 Die meisten Metalle sind gute Reduktionsmittel. Dies zeigt sich beispielsweise beim Eintauchen eines Zinkstabes in Kupfersulfatlösung. Sobald das Zink mit der Lösung in Kontakt kommt findet eine Redoxreaktion statt, dabei wird das Zink oxidiert (es gibt Elektronen ab) und das Kupfer wird reduziert. Die oxidierten Zink- Ionen gehen in Lösung, die reduzierten Kupferatome hingegen setzten sich auf dem Zinkstab ab. Nach einiger Zeit ist die komplette Eintauchfläche des Zinkstabes mit einer Kupferschicht überzogen.

 Bei dieser Reaktion werden Elektronen ausgetauscht, das heiß es fließt in gewisser Hinsicht ein elektrischer Strom. Der bei dieser Reaktion fließende Strom kann gemessen werden. Dazu muss ein geeigneter Versuchsaufbau gefunden werden. Um den Strom messen zu können, muss man verhindern, dass der Elektronenaustausch zwischen Metall- Ionen und Metallatomen direkt an der Oberfläche des in Lösung gehendes Metalls vollzogen wird. Ein dementsprechender Versuchaufbau wird als galvanisches Element bezeichnet.

 

 

 

Bei einem galvanischen Element existieren zwei Kammern, welche durch eine poröse Membran voneinander getrennt sind. In einer Kammer befindet sich die Zinkelektrode, die in eine Zinksulfatlösung (ZnSO4) eingetaucht worden ist. In der anderen Kammer befindet sich eine Kupferelektrode in einer Kupfersulfatlösung (CuSO4). Die beiden Elektroden sind über einen äußeren Stromkreis miteinander verbunden. Schaltet man nun ein Messgerät zwischen die beiden Elektroden, so ist ein Stromfluss messbar.

 

 

Es stellt sich nun die Frage, welche Vorgänge den Stromfluss der zu messen ist auslösen.

Beim Eintauchen der Zinkelektrode in die Lösung gehen einige Zinkatome der Elektrode in Lösung, die Elektronen die bei diesem Vorgang abgegeben werden bleiben auf der Zinkelektrode zurück. Dadurch wird die Elektrode negativ aufgeladen. Die positiv geladenen Zink- Ionen werden nun durch die Wassermoleküle hydratisiert, das heißt sie werden von den Wasser- Dipolen umlagert und somit „stabilisiert“.

Durch den Ladungsunterschied zwischen positiv geladenen Zink- Ionen in der Lösung und der negativ aufgeladenen Zinkelektrode bildet sich eine Doppelschicht. Die negative Schicht wird gebildet durch die Elektronen in der Zinkeletrode. Die positive Schicht wird durch die hydratisierten Zink- Ionen gebildet, die sich durch die elektrostatischen Anziehungskräfte an der Elektrodenoberfläche abgesetzt haben.

In der Kupferhalbzelle erfolgt ein vergleichbarer Vorgang, wobei dort weniger Kupferatome in Lösung gehen. Diese Beobachtung ist mit der Reduktionsfähigkeit des Kupfers zu erklären. Somit ist die Tendenz des Kupfers Elektronen abzugeben und als Ion in Lösung zu gehen geringer als bei Zink. Dadurch ist auch die negative Ladung an der Kupferelektrode wesentlich geringer als bei der Zinkelektrode.

 

In beiden Halbzellen stellt sich ein elektrochemisches Gleichgewicht ein, Das heißt, es gehen gleich viele Metallatome durch Abgabe von Elektronen in den Ionenzustand über, wie Ionen durch Aufnahme von Elektronen in den Metallatom- Zustand gehen.

 

Me   Men+ + ne-

 

Auf welcher Seite dieses Gleichgewicht liegt hängt von der Reduktionsfähigkeit des Metalls ab.

Merke:

Metalle mit hoher Reduktionsfähigkeit liegen eher als Ionen vor.

Metalle mit niedriger Reduktionfähigkeit liegen eher in elementarer Form vor.

Zink ist ein Metall mit hoher Reduktionsfähigkeit, somit liegt das chemische Gleichgewicht in der Zinkhalbzelle auf der Seite der Zink- Ionen.

Kupfer hingegen besitzt nur eine mäßige Reduktionsfähigkeit. Das chemische Gleichgewicht liegt also auf der Seite der Kupferatome.

Für jedes Metall gilt ein bestimmtes dynamisches Gleichgewicht. Man spricht in der Elektrochemie auch von einem spezifischen elektrochemischen Potential.

Schaut man sich nun die elektrochemischen Potentiale von Kupfer und Zink an, so stellt man fest, dass eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Metallen besteht. Die Differenz kann man mit Hilfe eines Spannungsmessgerätes ermitteln (sie wird in Volt gemessen). Bei dieser galvanischen Zelle entspricht die Potentialdifferenz 1,1V, wenn jedes Metall in einer 1 molaren Lösung vorliegt. 

Verbindet man nun die beiden Elektronen mit einem Metalldraht und misst die Stromstärke, so stellt man einen Elektronenfluss fest. Dieser Elektronenfluss bewirkt eine Angleichung der Potentiale. Dabei fließen die Elektronen über den Draht von der Zinkelektrode zur Kupferelektrode. Dies führt in der Kupferelektrode zu einem Überfluss an Elektronen. Der Überfluss an Elektronen in der Kupferelektrode wird durch die Reduktion von Kupferionen ausgeglichen. Diese setzten sich an der Elektrodenoberfläche ab. Durch das „Herausnehmen“ von Kupfer- Ionen aus der Lösung baut sich ein negativer Ladungsüberschuss auf (SO42-)

In der Zinkhalbzelle werden die positiv geladenen Zink- Ionen nicht mehr an der Zinkeletrode festgehalten, da die vorher bestehende negative Ladung der Elektrode nicht mehr besteht (die Elektronen wandern über den Metalldraht zur Kupferelektrode. Es gehen nun immer wieder Zinkatome unter Abgabe von Elektronen in Lösung. dadurch ergibt sich ein Überschuss an positiven Ladungen in der Zinkhalbzelle.

Beide Ladungsüberschüsse können jedoch ausgeglichen werden, dabei diffundieren die Zn2+ und die SO42- durch die poröse Membran.

³Animation: galvanische Zelle

Die Tendenz, in den Ionenzustand überzugehen, ist wie schon erwähnt bei den Metallen unterschiedlich ausgeprägt, demnach lassen sich eine Reihe von Metallpaaren und ihren entsprechenden Salzlösungen nutzen, um sie als galvanische Zelle und damit als Energiequelle zu verwenden. 

 

© 2001-2005 [Chempage.de] – Michael Müller – michael.mueller@rwth-aachen.de http://www.chempage.de

Aktuelles | Buchtipps: Chemie | Disclaimer | Impressum | Kontakt | Newsletter | Shop | Startseite