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Galvanische Zelle - Referat
Bei der galvanischen Zelle handelt es sich um eine Vorrichtung, die der Umwandlung von chemischer Energie in elektrischen Strom dient. Der Name geht auf den italienischen Arzt Luigi Galvani zurück. Dieser entdeckte, dass ein Froschschenkel zu zucken begann, als er diesen mit einem metallischen Werkzeug berührte. Dieses Phänomen lässt sich auf den entstandenen elektrischen Strom zurückführen.
Die galvanische Zelle unterscheidet sich von einer normalen Redoxreaktion, da kein Elektronenübergang zwischen zwei reagierenden Stoffen auftritt. Durch die bei der galvanischen Zelle erreichte Trennung der beiden Stoffe, müssen die Elektronen sich „einen anderen Weg suchen“.
Das Daniell-Experiment
Das Daniell-Experiment ist ein Beispiel, an dem die Funktionsweise einer galvanischen Zelle demonstriert werden kann. Hierbei wird ein Zinkblech in eine Lösung aus ZnSO4 gegeben. Ein Kupferblech wird in eine Lösung aus CuSO4 gegeben. Die beiden Bleche werden mit einem Kabel verbunden. Zudem wird ein Voltmeter installiert. Die beiden Flüssigkeiten sind durch eine Salzbrücke miteinander verbunden.
Die Bleche, die in die Lösungen gegeben werden, werden als Elektroden bezeichnet. Die Lösungen werden Elektrolytlösungen genannt.
Das Funktionsprinzip der galvanischen Zelle
Bei der galvanischen Zelle findet eine spontane Redoxreaktion statt. Durch die räumliche Trennung der beiden reagierenden Stoffe, kann kein direkter Elektronenübergang stattfinden. Stattdessen findet in einer Halbzelle eine Oxidation und in der anderen Halbzelle eine Reduktion statt. Um herauszufinden, in welcher Halbzelle welche Reaktion abläuft, muss das Redoxpotential der beiden Elektroden betrachtet werden. Die Stoffe lassen sich prinzipiell in edle und unedle Stoffe unterteilen. Die Elektrode mit dem höheren Standard-Redoxpotential ist edler als derjenige mit einem niedrigeren Standard-Redoxpotential.
Die Oxidation wird an der Elektrode mit dem niedrigeren Standard-Redoxpotential ablaufen – an der unedleren Elektrode. Die Standard-Redoxpotentiale können einer Tabelle entnommen werden. Somit müssen keine Berechnungen o. ä. angestellt werden, um herauszufinden, an welcher Elektrode welche Reaktion abläuft.
Bezugnehmend auf das Daniell-Experiment kann festgestellt werden, dass Zink ein Standard-Redoxpotential von -0,76 aufweist. Kupfer hingegen verfügt über ein Standard-Redoxpotential von 0,34. Demnach ist Kupfer edler als Zink. Die Oxidation wird an der Zinkelektrode ablaufen; die Reduktion an der Kupferelektrode. Es wird zu beobachten sein, dass in der Lösung befindliche Kupfer-Ionen zur Elektrode wandern und sich an dieser absetzen werden – eine Reduktion.
Die aus Zink bestehende Elektrode hingegen wird nach und nach in Lösung gehen. Das Zink gibt seine beiden Elektronen ab.
Insgesamt ist zu beobachten, dass das Kupfer-Ion Elektronen benötigt, um in den elementaren Zustand zu gelangen. Das Zink muss gleichzeitig Elektronen abgeben, um Ionen ausbilden zu können. Da die beiden Stoffe räumlich voneinander getrennt sind, kann das Kupfer die Zink-Elektronen nicht direkt aufnehmen. Aus diesem Grund entsteht eine Elektronendifferenz. Diese muss ausgeglichen werden, was durch die leitende Verbindung der beiden Kammern der galvanischen Zell gelingt. Es tritt ein Elektronenfluss von der Anode (Zinkkammer) zur Kathode (Kupferkammer) auf. Die Salzbrücke dient als Ionenbrücke – so wird die Schließung des Stromkreises erreicht. Die Salz-Ionen reagieren jedoch mit keinem der beiden Stoffe.
Ob ein Stoff oxidiert oder reduziert, ist vom jeweils anderen Stoff abhängig. Werden Kupfer und Zink verwendet, ist das Kupfer edler und reduziert. Werden stattdessen Kupfer und Silber verwendet, ist das Kupfer unedler und oxidiert.
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