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Chemie · Redox-Reaktionen
Aufbau und Ablauf eines galvanischen Elements am Daniell-Element: Anode und Kathode, Salzbrücke, Zellspannung, Unterschied zur Elektrolyse sowie Batterie, Akku und Brennstoffzelle.
Ein galvanisches Element trennt eine freiwillige Redox-Reaktion räumlich, sodass die Elektronen über einen Draht fließen und Strom liefern. An der Anode wird oxidiert, an der Kathode reduziert.
Taucht ein Zinkblech in Kupfersulfat-Lösung, scheidet sich Kupfer ab und die Energie wird als Wärme frei. Im Daniell-Element (Zn/Cu) sind die beiden Teilreaktionen räumlich getrennt, die Elektronen müssen durch einen äußeren Draht. Der Name „galvanisch“ erinnert an Luigi Galvani.
Jede Halbzelle besteht aus einer Elektrode (fester Leiter) in einem Elektrolyten (ionenleitende Lösung):
| Zink-Halbzelle | Kupfer-Halbzelle | |
|---|---|---|
| Aufbau | Zn in ZnSO₄ | Cu in CuSO₄ |
| Metall | unedler (−0,76 V) | edler (+0,34 V) |
| Heißt | Anode (Oxidation) |
| Pol | Minus | Plus |
| Elektrode | wird dünner | wird dicker |
Das Metall mit dem negativeren Standardpotenzial wird zur Anode: Zink ist unedler und gibt leichter Elektronen ab. So läuft das Element ab:
OMA gilt im galvanischen Element: Oxidation, Minuspol, Anode. Bei der Elektrolyse ist die Anode der Pluspol. Im Draht fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode.
Zink liefert Zn²⁺-Ionen, in der Kupferhalbzelle verschwinden Cu²⁺-Ionen. Ohne Ausgleich würde die Anodenseite positiv und die Kathodenseite negativ, und der Elektronenfluss bräche sofort ab.
Die Salzbrücke (oder ein Diaphragma) schließt den Kreis: Anionen wandern durch die Brücke zur Anode, Kationen zur Kathode. Im Draht fließen also Elektronen, in Lösung und Brücke wandern Ionen. Strom fließt, solange Zink, Cu²⁺ und der Ionenausgleich da sind.
EZelle = E_Kathode − E_AnodeStandardpotenziale aus der Spannungsreihe
Diese Spannung heißt Zellspannung oder EMK (elektromotorische Kraft). Die Kathode ist die Halbzelle mit dem positiveren Potenzial. Daniell: 0,34 V − (−0,76 V) = 1,10 V. Silber/Blei: Silber (+0,80 V) ist edler und wird Kathode, also 0,80 V − (−0,13 V) = 0,93 V.
Eine positive Zellspannung heißt: Die Reaktion läuft freiwillig. Vertauschst du Anode und Kathode, rechnest du −1,10 V, und in dieser Richtung läuft die Reaktion nicht von selbst ab.
Kurzschreibweise: Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu. Die Anode steht links, die Kathode rechts. Der einfache Strich ist die Phasengrenze (fest | flüssig), der Doppelstrich die Salzbrücke. → Ausführlich zu Standardpotenzialen in: Redox-Potenzial
| Galvanisches Element | Elektrolyse | |
|---|---|---|
| Reaktion | freiwillig | erzwungen durch Spannung |
| Energie | chemisch → elektrisch | elektrisch → chemisch |
| Anode | Minuspol | Pluspol |
| Kathode | Pluspol | Minuspol |
| Oxidation an | Anode | Anode |
Auch das Galvanisieren, etwa das Versilbern von Besteck, ist eine Elektrolyse: Die Metallabscheidung wird durch eine äußere Spannung erzwungen.
1,10 V gelten nur bei 1 mol/l. Im Betrieb steigt c(Zn²⁺) und c(Cu²⁺) sinkt, die Spannung fällt.
Interaktives Modell
Deine AufgabeVerfolge die Elektronen im Draht und die Ionen in der Salzbrücke. Entferne dann die Salzbrücke: Was passiert mit Lampe und Elektronenfluss, und warum?
