10.1. Galvanische Elemente

10.1.1 Strom aus der Zitrone
(sorgfältig lesen)

Elektrischer Strom ist der Transport von beweglichen Ladungsträgern. In Metallen und Graphit sind es Elektronen. In wässrigen Lösungen oder Salzschmelzen sind es Ionen.

Elektroden sind Elektronenleiter, die mit einem nicht elektronenleitenden Medium in Kontakt sind.

Elektrolyte sind Ionenleiter.

Die Elektrodenreaktionen finden an der Grenze zwischen Elektrode und Elektrolyt statt und gewährleisten die Umstellung des elektrischen Stromes von Elektronen zu Ionen als Ladungsträger.

In einem galvanischen Element oder galvanischen Zelle finden Oxidation und Reduktion einer spontanen Redoxreaktion, als Elektrodenreaktionen, an zwei, durch einen Elektrolyten getrennten, Elektroden statt. Die Elektronen werden nicht direkt zwischen den Edukten, sondern über das Stromkabel, das die Elektroden verbindet, ausgetauscht. Die Entladung eines galvanischen Elements liefert aus chemischer Energie elektrischen Strom, es dient der elektrochemischen Stromerzeugung.

Die Elektrochemie ist das Teilgebiet der Chemie, das sich mit Vorgängen befasst, die chemische Reaktion und elektrischen Strom verknüpfen.

10.1.2 Allgemeiner Versuchsaufbau einer galvanischen Zelle


    

Der Aufbau einer galvanischen Zelle beinhaltet im Prinzip:
• Zwei Halbelemente auch Halbzellen genannt, bestehen aus einer Elektrode die in einen Elektrolyten eingetaucht ist.
• Gegebenenfalls eine poröse Trennwand, die ein schnelles Vermischen der Elektrolyte verhindert. Ein solches Diaphragma gewährleistet durch Ionenwanderung den Ladungsausgleich zwischen den Elektrolyten und schließt den Stromkreis.
• Stromkabel und Verbraucher verbinden beide Elektroden und schließen extern den Stromkreis. Der an den Elektroden generierte Elektronenfluss kann so vom Verbraucher genutzt werden. Der Verbraucher wäre beispielsweise eine Glühbirne oder Elektromotor.

Ein einfaches Beispiel einer galvanischen Zelle ist das Daniell- Element. Es besteht aus zwei Halbelementen bei denen jeweils eine Kupferelektrode in eine Kupfer(II)-sulfat-Lösung und eine Zinkelektrode in eine Zinksulfat-Lösung taucht.

10.1.3 Elektrochemische Vorgänge und Stromfluss

    

An der Zinkelektrode entsteht ein Elektronenüberschuss dadurch, dass an der Zinkelektrode Zink-Kationen in Lösung gehen. Dabei werden Elektronen an die Elektrode abgegeben. Zink wird oxidiert. Die Zinkelektrode ist somit die Anode:
Zn(s) ⇌ Zn2+(aq) + 2 e-.
Diese Elektrodenreaktion sorgt für den Übergang des elektrischen Stroms vom Elektronenleiter, die Zinkelektrode, zum Ionenleiter, die Zinksulfatlösung. Durch die Oxidation entsteht an der Anode ein Elektronenüberschuss. Die Anode ist im galvanischen Element der Minus-Pol.

In den beiden Lösungen und im Diaphragma wird Strom durch Wandern der Ionen geleitet. Die Kationen wandern in Richtung Kathode, die Anionen in Richtung Anode.
An der Kupferelektrode, also der Kathode, wird der Strom von den Kupfer(II)-Kationen durch Reduktion, also Aufnahme von Elektronen an den Elektronenleiter, die Kupferelektrode übertragen. Dabei setzt sich das entstandene metallische Kupfer an der Elektrode ab:
Cu2+(aq) + 2 e- ⇌ Cu(s).

Durch die Reduktion werden an der Kathode Elektronen verbraucht. Die Kathode ist im galvanischen Element der Plus-Pol.
In der Halbzelle der Anode werden Kationen gebildet, während in der Halbzelle der Kathode Kationen verbraucht werden. Die Ladungen werden durch die Wanderung der Sulfat- und Zink- Ionen durch das Diaphragma ausgeglichen. Die Zinksulfatkonzentration steigt und die Kupfersulfatkonzentration sinkt.

Die Elektrodenreaktionen erzeugen den Strom. Sie können als spontane Redoxreaktion zwischen den Redoxpaaren Cu/Cu2+ und Zn/Zn2+ gedeutet werden.
Das galvanische Element liefert so lange Strom bis entweder
- die Zn-Elektrode aufgebraucht ist, oder
- die Cu2+-Ionen größtenteils verbraucht sind.

Aufgabe
Geben Sie an welche Reaktionen an der Anode und an der Kathode im Daniellelement ablaufen. Geben sie Oxidation, Reduktion, Plus- und Minus-Pol an. Formulieren Sie die Redoxgleichung.










10.1.4 Inerte und nicht inerte Elektroden (sorgfältig lesen)

10.1.5 Kurzschreibweise galvanischer Zellen

Um galvanische Zellen zu beschreiben, wird eine symbolische Kurzschreibweise oder Zelldiagramm verwendet. Hierbei werden die einzelnen Phasen als Formeln der Stoffe aneinandergereiht in einer bestimmten Reihenfolge aufgelistet.
Links steht die Anode und rechts die Kathode.
Die einzelnen Phasen und ihr Aggregatzustand werden in der Reihenfolge ihres Auftretens von der Anode zur Kathode durch senkrechte Striche getrennt als Formel aufgeführt. Senkrechte Striche symbolisieren die Grenze zwischen zwei Phasen. Stoffe in derselben Phase werden durch Kommas getrennt.
Diaphragmen werden durch einen senkrechten Doppelstrich dargestellt.
Für Lösungen sollte der Elektrolyt mit seiner Konzentration, soweit festgelegt, in Klammern mit dem Aggregatzustand angegeben werden.

Beispiele
- Daniell Element mit molaren Zink- und Kupfersulfatlösungen.
Zn(s) | ZnSO4(aq, 1 mol·L−1) || CuSO4(aq, 1 mol·L−1) | Cu(s)
oder
Zn(s) | Zn2+(aq, 1 mol·L−1 || Cu2+(aq, 1 mol·L−1) | Cu(s) Erklärungen Seite 101

- Die "Zitronenbatterie".
Zn(s) | Zn2+(aq) || H3O+(aq) | H2(g) | Cu(s) Erklärungen Seite 102

- Ein Zink-Chlor-Element.
Zn(s) | Zn2+(aq) || Cl(aq) | Cl2(g) | C(Gr.) Erklärungen Seite 102

Aufgabe 10.1 
Die Chlorknallgaszelle ist eine galvanische Zelle, in der die Gase Wasserstoff als Reduktionsmittel eine Platinelektrode und Chlor als Oxidationsmittel eine Graphitelektrode umspülen. Beide Elektroden tauchen in demselben Elektrolyten.
(a) Erstellen sie das Zelldiagramm.






(b) Geben Sie die Anode und die Kathode, die Reduktions- und Oxidationsmittel, die Elektrodenreaktionen und die Zellreaktion an.
















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