Galvanische Zelle

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Galvanische Zelle

Eine galvanische Zelle, galvanisches Element oder galvanische Kette ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von spontan chemischer in elektrische Energie. Sie wird in Batterien und Akkumulatoren verwendet. Jede Kombination von zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten bezeichnet man als galvanisches Element. Sie dienen als Gleichspannungsquellen. Der charakteristische Wert ist die Teilspannung/eingeprägte Spannung. Unter der Kapazität eines galvanischen Elements versteht man das Produkt aus Entladungsstromstärke und -zeit.

Die Funktion der galvanischen Zelle beruht auf einer Redoxreaktion. Reduktion und Oxidation laufen räumlich getrennt in je einer Halbzelle (Halbelement) ab. Durch Verbinden der beiden Halbzellen mit einem Elektronenleiter und einem Ionenleiter wird der Stromkreis geschlossen. Die Spannung des elektrischen Stroms lässt sich durch die Nernst-Gleichung berechnen, die Spannung hängt von der Art des Metalls (Elektrochemische Spannungsreihe) und der Konzentration ab. Im Gegensatz zur Elektrolyse, beispielsweise in der Galvanotechnik, kann in der galvanischen Zelle elektrische Energie gewonnen werden, während die Elektrolyse elektrische Energie verbraucht. Die Anode ist in einer galvanischen Zelle negativ geladen, die Kathode positiv, während bei der Elektrolyse die Kathode negativ und die Anode positiv geladen ist.

Der Name geht auf den italienischen Arzt Luigi Galvani zurück.

1936 wurden in der Nähe Bagdads Tongefäße aus dem 2. Jahrhundert v. Chr. gefunden, von denen vermutet wird, dass sie für Vergoldungen verwendet worden sein könnten. Sie wurden unter dem Namen Bagdad-Batterie bekannt.

[Bearbeiten] Beispiele

Das Daniell-Element - eine Galvanische Zelle

Immer, wenn zwei unterschiedliche Metalle in einer Elektrolytlösung sind, entsteht eine Spannung (galvanische Zelle). Neben dem Daniell-Element (Kupfer/Zink) kann so z.B. auch aus Kupfer- und Silberelektroden ein galvanisches Element erzeugt werden: Die Kupferelektrode taucht in Kupfersulfat-Lösung, die Silberelektrode in Silbernitratlösung, und verbunden werden diese durch einen Draht (Elektronenleiter) mit Voltmeter und einem Ionenleiter.

An der Kupferelektrode gehen mehr Cu²⁺-Ionen in Lösung als sich Cu Ionen wieder abscheiden. Da das Kupfer Elektronen an die Elektrode abgibt, wenn es in Lösung geht, lädt sich die Elektrode negativ auf (Kathode).--> Siehe Elektrode

${\rm Cu \longrightarrow Cu^{2+} + 2e^- }$

An der Silberelektrode scheiden sich dagegen mehr Ag⁺-Ionen an der Elektrode ab als in Lösung gehen. Daher gibt es an der Silberelektrode Elektronenmangel, sie lädt sich positiv auf (Anode).

${\rm 2Ag^{+} + 2e^-\longrightarrow 2Ag }$

Werden die zwei Elektroden elektrisch leitend verbunden, so entsteht zwar eine Spannung, aber es fließt noch kein Strom. Der Grund dafür ist, dass in der Kupferelektrode ein Überschuss an Cu²⁺-Ionen entsteht und die Lösung sich stark positiv auflädt. Also gehen nur noch so viele Kupferionen in Lösung, wie sich gleichzeitig an der Elektrode wieder abscheiden. Ähnliches passiert mit der Silbernitratlösung, nur dass sich hier die Lösung negativ auflädt, da vom neutralen Silbernitrat nur die negativ geladenen Nitrat-Ionen übrig bleiben (während sich die positiven Silberionen an die Silberelektrode anlagern, indem sie dort jeweils drei Elektronen aufnehmen).

Silbernitratlösung: c[NO₃^-] >> c[Ag⁺]

Kupfersulfatlösung: c[SO₄^2-] << c[Cu²⁺]

Deswegen sind die Elektrodenräume über eine Salzbrücke miteinander verbunden, welche notwendig ist um den Stromkreis zu schließen. Die Salzbrücke ist häufig ein U-Rohr, das mit einem Elektrolyten gefüllt ist, und dessen Enden mit einer Membran oder einem Diaphragma versehen sind. Über die Salzbrücke erfolgt der Anionenaustausch um so der Aufladung der einzelnen Zellen entgegen zu wirken. Eine andere Möglichkeit die Elektrodenräume voneinander zu trennen besteht in einer semipermeablen (halbdurchlässigen) Membran welche ebenfalls einen Ladungsausgleich ermöglicht.

Es gibt auch Galvanische Zellen mit zwei gleichen Halbzellen, die sich in ihrer Konzentration unterscheiden, diese nennt man Konzentrationselement.