Daniell-Element

Batterien kennst Du bestimmt aus dem Alltag. Egal, wo und wie, überall sind sie zu finden, aber die eigentliche Mutter aller Batterien ist das Daniell-Element. Es ist das Vorzeige-Beispiel, wenn es um Batterien und galvanische Zellen geht. Alles darüber kannst Du hier finden!

Allgemeines über das Daniell-Element

Das Daniell-Element ist ein weitverbreiteter Modellaufbau für galvanische Elemente und besteht somit zu dem Grundwissen, was man in der physikalischen Chemie besitzen sollte.

Aufbau des Daniell-Elements

Das Daniell-Element ist ein galvanisches Element. Ein galvanisches Element, auch galvanische Zelle genannt, besteht immer aus zwei Halbzellen, welche jeweils mit einer Elektrode und der dazugehörigen Elektrolytlösung. Diese beiden Halbzellen werden dann über eine Salzbrücke miteinander verbunden. Grundsätzlich wandelt ein galvanisches Element chemische Energie in elektrische Energie um.

In der folgenden Abbildung kannst Du links die Zink-Halbzelle sehen, bei der von der Zinkelektrode Zinkionen in die Elektrolytlösung, Zinksulfat (ZnSO₄^-), übergehen und die dabei freigewordenen Elektronen über die Salzbrücke hin zur Kupfer-Halbzelle wandern.

Bei der Kupfer-Halbzelle kommen die Elektronen dann an und verbinden sich mit Kupferionen, die sich in der hier befindlichen Elektrolytlösung, Kupfersulfat (CuSO₄^-) aufhalten. Die Elektronen und Kupferionen ergeben dann zusammen elementares Kupfer, welches sich als Metall an der Elektrode absetzt.

Durch den Strom an Elektronen, welcher über die Salzbrücke läuft, entsteht dann elektrische Energie, die hier durch einen Verbraucher, wie eine Glühbirne, Verwendung finden kann.

So entsteht dann aus der chemischen Energie elektrische Energie, genauer gesagt elektrischer Strom.

Abbildung 1: Aufbau des Daniell-Elements

Eine der Elektroden stellt dabei immer die Anode des Systems dar und eine die Kathode. An der Anode wird immer mindestens ein Elektron abgegeben und an der Kathode mindestens ein Elektron aufgenommen.

Standardpotential und Spannung des Daniell-Elements

Das Prinzip des Daniell-Elements funktioniert, indem es eine edleres und ein unedleres Metall innerhalb eines Systems gibt. Die Elektrode, welche aus dem unedleren Metall besteht, neigt also eher dazu, durch Oxidation Elektronen an die Elektrolytlösung abzugeben. Das edlere Metall hingegen nimmt vorzugsweise Elektronen bei einer Reduktion aus der Elektrolytlösung auf.

Bevor Du verstehen kannst, wie dieser Aufbau des Daniell-Elements funktioniert, musst Du Dir erst klarmachen, was denn überhaupt ein edles und ein unedles Element ausmacht. Dabei handelt es sich um Standardpotentiale der einzelnen Halbzellen eines galvanischen Elements, die angeben, wie viel Energie die Halbzelle erzeugt.

So kann nun eine Halbzelle eines anderen Elements an diese Normal-Wasserstoff-Halbzelle angeschlossen werden, um die Spannung und somit das Standardpotential zu bestimmen.

Das Standardpotential musst Du nicht immer selbst herausfinden oder berechnen, denn dafür gibt es bereits eine ausführliche Tabelle, in der Du die jeweiligen Standardpotentiale nachlesen kannst.

Für das Daniell-Element, welches aus Kupfer und Zink besteht, sind die Standardpotentiale wie folgt:

Cu/Cu²⁺: +0,34 V

Zn²⁺/Zn: -0,76 V

Jetzt kannst Du anhand dieser Werte bestimmen, welches das edlere oder unedlere Metall ist, denn die edleren Metalle haben immer einen höheren/positiveren Wert als die unedleren Metalle. Das edlere Metall nimmt immer Elektronen auf, während das unedle Metall Elektronen abgibt. Der negative Wert spiegelt also die Abgabe und der positive Wert die Aufnehme von Elektronen wider.

Den Standardpotentialen nach zu urteilen ist also Zink das unedlere Metall und Kupfer das edlere.

Funktionsweise des Daniell-Elements

Da Du jetzt weißt, welches Element edler ist, kannst Du auch ganz einfach die Funktionsweise des Daniell-Elements nachvollziehen.

Da das unedlere Element immer Elektronen abgibt, muss dies hier die Zinkelektrode betreffen. Diese gibt unter Abspaltung von zwei Elektronen ein Zinkion ab.

$\mathrm{Zn}\to {\mathrm{Zn}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$

Damit gehen die zwei freien Elektronen sowie das Zinkion (Zn²⁺) in die Elektrolytlösung über. Über den vorhandenen Elektronenleiter wandern diese Elektronen dann rüber zur Halbzelle des Kupfers. Bei der Wanderung der Elektronen entsteht ein Elektronenstrom, welcher dann als elektrische Spannung genutzt und mithilfe eines Spannungsmessgeräts, welches direkt am Elektronenleiter angeschlossen ist, gemessen werden kann.

Die Elektronen fließen dann weiter bis in die Halbzelle von Kupfer und da zunächst in die Elektrolytlösung. Die beiden Elektronen reagieren dann mit dem dort vorhandenen Kupferionen aus dem Kupfersulfat und ergeben ein vollwertiges Kupferatom, also ein Kupferatom ohne Ladung:

${\mathrm{Cu}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Cu}$

Das dann entstandene Kupfer schlägt sich an der Kupfer-Elektrode nieder.

Die gesamte Reaktionsgleichung des Daniell-Elements lautet dann:

$\mathrm{Zn}+{\mathrm{Cu}}^{2+}\to {\mathrm{Zn}}^{2+}+\mathrm{Cu}$

Berechnung der Spannung des Daniell-Elements

Zur Berechnung der Spannung benötigst Du die beiden Standardpotentiale der Elemente:

Cu/Cu²⁺: 0,34 V

Zn²⁺/Zn: -0,76 V

Mit diesen kannst Du dann ganz einfach die Spannung des Daniell-Elements berechnen. Dafür setzt Du die einzelnen Werte einfach in folgende Gleichung ein:

ΔE = E_Kathode - E_Anode

ΔE = E_Kupfer - E_Zink = 0,34 V- (-0,76 V) = 1,10 V

Wenn ΔE < 0 ist, dann läuft keine Reaktion ab. Wenn jedoch ΔE > 0 ist, dann findet die Reaktion statt.

Die Spannung, die hier berechnet wird, nennt man auch elektromotorische Kraft (EMK). Im Grunde genommen ist EMK jedoch bei galvanischen Elementen das Gleiche wie die elektrische Spannung. Zum Vergleich: Eine handelsübliche Batterie hat im Durchschnitt eine Spannung von 2,0 V.

Verwendung des Daniell-Elements

Das Daniell-Element wird heutzutage so gut wie gar nicht mehr genutzt im Alltag. Das liegt daran, dass es mittlerweile günstigere, langlebigere und vor allem leistungsstärkere galvanische Zellen beziehungsweise Batterien und Akkus gibt, die sich in der alltäglichen Benutzung und vor allem in der Industrie mehr anbieten.

Bei der Entdeckung des galvanischen Elements, und daher vom Daniell-Element, wurde dieses hauptsächlich in elektrischen Telegrafen verwendet.