Galvanische Zellen und das Daniell-Element

Einführung

• Thema: Galvanische Zellen am Beispiel des Daniell-Elements.
• Vorwissen: Kenntnisse über Redoxreaktionen und Redoxpotentiale der Metalle.
• Ziel: Stromerzeugung durch Redoxreaktionen verstehen.

Aufbau einer Galvanischen Zelle

• Komponenten:
  • Zink-Halbzelle mit Zinkstab als Elektrode und Zinksulfat als Elektrolyt.
  • Kupfer-Halbzelle mit Kupferstab als Elektrode und Kupfersulfat als Elektrolyt.
• Trennung der Halbzellen: Diaphragma verhindert Vermischung der Elektrolyte.
• Stromnutzung: Anschluss eines Verbrauchers (z. B. Motor, Lampe) zwischen Halbzellen.

Prozesse in den Halbzellen

• Zink-Halbzelle:
  • Zinkatome oxidieren zu Zinkionen und geben Elektronen ab.
  • Elektronen fließen über einen elektrischen Leiter zur Kupfer-Halbzelle.
• Kupfer-Halbzelle:
  • Elektronen reagieren mit Kupferionen und bilden Kupferatome.

Chemische Reaktionen

• Oxidation in der Zink-Halbzelle: Zink gibt Elektronen ab.
• Reduktion in der Kupfer-Halbzelle: Kupferionen nehmen Elektronen auf.
• Gesamtreaktion: Elektronenfluss ermöglicht Stromerzeugung.

Begriffe und Fachwissen

• Minuspol: Elektrode, die Elektronen abgibt (Anode).
• Pluspol: Elektrode, die Elektronen aufnimmt (Kathode).
• Eselsbrücke: Anode = Oxidation, Kathode = Reduktion.
• Zelldiagramm: Darstellung der Zelle mit Elektroden und Elektrolyten.

Wichtige Konzepte

• Lösungstension: Fähigkeit eines Metalls, in wässriger Lösung Ionen zu bilden.
• Elektrochemische Doppelschichten:
  • Entstehung von positiven Metallionen und negativen Elektronen an der Elektrode.
  • Gleichgewicht zwischen Metallionen in Lösung und Elektronen in der Elektrode.

Entstehung der Spannung

• Unterschied in Lösungstension: Zink hat höhere Lösungstension als Kupfer.
• Elektronenfluss: Von negativ geladener Zink- zu weniger negativ geladener Kupferseite.
• Spannungsmessung: Potenzialdifferenz der Elektroden (ca. 1,1 Volt).
• Zellenspannung: Resultat der unterschiedlichen Redoxpotentiale der Metalle.

Zusammenfassung

• Stromflüsse: Basieren auf unterschiedlichen Redoxpotentialen und Leitung durch elektrischen Leiter.
• Verständnisziel: Mechanismen und Begriffe einer galvanischen Zelle nachvollziehen.