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Ein **galvanisches Element** wandelt durch räumlich getrennte, spontane Redox-Reaktionen chemische in elektrische Energie um. Namensgeber ist Luigi Galvani, wichtigstes Beispiel das Daniell-Element (Zn/Cu). Man unterscheidet Primärzellen (Batterien), Sekundärzellen (Akkus) und Tertiärzellen (Brennstoffzellen).
Ein galvanisches Element (auch galvanische Zelle genannt) wandelt chemische Energie in elektrische Energie um, indem es eine freiwillig ablaufende Redox-Reaktion räumlich trennt. Die Grundlage hierfür legte Luigi Galvani (1737–1798) mit der Beobachtung, dass ein Zinkbarren in einer Kupfersulfatlösung elementares Kupfer abscheidet. Im Gegensatz zur Elektrolyse, bei der Energie zugeführt werden muss, fungiert das galvanische Element als Batterie oder Gleichstromquelle.
Das System besteht aus zwei räumlich getrennten Halbzellen. Jede Halbzelle enthält eine Elektrode (einen festen Elektronenleiter) und einen Elektrolyten (eine Lösung, die Ionen leitet). Die Trennung ist notwendig, damit die Elektronen gezwungen werden, über einen äußeren Leiterdraht zu fließen, anstatt direkt zwischen den Reaktionspartnern überzugehen.
An der Anode findet stets die Oxidation statt. Da hier Elektronen vom Metall in den Leiter abgegeben werden, herrscht ein Elektronenüberschuss, weshalb die Anode beim galvanischen Element den Minuspol bildet. Man kann sich die Anode als 'Quelle' der Elektronen vorstellen.
An der Kathode findet stets die Reduktion statt. Hier werden Elektronen aus dem äußeren Leiter aufgenommen, um Ionen aus der Lösung zu reduzieren. Da hier Elektronen 'verbraucht' werden, bildet die Kathode den Pluspol. Eine hilfreiche Merkhilfe ist das Wort 'OMA': Oxidation, Minuspol, Anode.
Um den Stromkreis zu schließen, müssen die Halbzellen durch eine Salzbrücke (Ionenbrücke) oder ein Diaphragma (poröse Trennwand) verbunden sein. Diese Vorrichtungen ermöglichen den Fluss von Ionen zwischen den Gefäßen, um die Ladungsneutralität aufrechtzuerhalten. Ohne diesen Ausgleich würde sich die Anodenseite positiv und die Kathodenseite negativ aufladen, was den Elektronenfluss sofort stoppen würde. In der Regel wandern vor allem Anionen (negativ geladene Ionen) von der Kathoden- zur Anodenseite, um die durch die Oxidation entstehenden Kationen auszugleichen.
Das bekannteste Beispiel ist das Daniell-Element (auch Cu/Zn-Element genannt). Es besteht aus einer Zink-Elektrode in einer Zinksulfat-Lösung (Anode) und einer Kupfer-Elektrode in einer Kupfersulfat-Lösung (Kathode). Zink ist das unedlere Metall: Es besitzt eine geringere Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität und gibt daher leichter Elektronen ab (Oxidation: Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻). Die Zink-Anode löst sich dabei allmählich auf. Kupfer ist das edlere Metall: Es hat eine höhere Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität, nimmt daher bevorzugt Elektronen auf (Reduktion: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu). An der Kupfer-Kathode scheidet sich metallisches Kupfer ab, wodurch sie dicker wird. Dieser Vorgang des Metallabscheidens wird Galvanisierung genannt und findet z. B. beim Verchromen von Felgen Anwendung.
Die elektrische Spannung, die zwischen den Elektroden gemessen werden kann, nennt man elektromotorische Kraft (EMK) oder Zellspannung. Sie ergibt sich aus der Differenz der Standardpotenziale der beiden Halbzellen: E_Zelle = E_Kathode - E_Anode. Ein positiver Wert der Zellspannung zeigt an, dass die Reaktion spontan abläuft. Für das Daniell-Element gilt: E°(Zn/Zn²⁺) = -0,76 V und E°(Cu/Cu²⁺) = +0,34 V; die Zellspannung beträgt ΔE = 0,34 V - (-0,76 V) = 1,10 V. Das positive Vorzeichen bestätigt die Spontaneität.
In der Chemie nutzt man die Zellschreibweise, um den Aufbau kurz darzustellen. Für das Daniell-Element lautet sie: Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu. Der einfache Strich symbolisiert eine Phasengrenze (fest/flüssig), der Doppelstrich die Salzbrücke.
Wichtig für das Verständnis ist der Unterschied zur Elektrolyse: Bei der Elektrolyse wird die Reaktion durch Anlegen einer äußeren Spannung erzwungen, sie läuft nicht freiwillig ab. Hier sind die Polaritäten vertauscht: Die Anode ist der Pluspol, die Kathode der Minuspol.
Galvanische Zellen lassen sich nach ihrer Wiederaufladbarkeit einteilen: Primärzellen (Batterien) können nach der Entladung nicht wieder aufgeladen werden. Sekundärzellen (Akkumulatoren, z. B. Li-Ionen-Akkus) sind wiederaufladbar. Tertiärzellen (Brennstoffzellen) erhalten ihren chemischen Energieträger kontinuierlich von außen.
