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Daniell-Element

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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.

Das Daniell-Element wird auch Daniell’sches Element genannt und ist eine Galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht. Mithilfe des Daniell-Elements kann man chemische Energie in elektrische Energie umwandeln.

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.

Daniell-Element Aufbau StudySmarterAbbildung 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.

Wenn Du dir das Ganze ein wenig vereinfachen willst, kannst Du dir auch einfach die Eselsbrücke „O-M-A“ zur Hilfe dazu holen. Diese gibt an das Oxidation, Minuspol und Anode zusammengehören. Dementsprechend gehören hier auch Reduktion, Plus-Pol und Kathode zusammen.

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.

Ein Standardpotential ist ein Wert, der bestimmt, wie viel Strom (in Volt) eine Halbzelle abgibt. Dazu wurde eine Referenz-Halbzelle benannt, nämlich die Normal-Wasserstoff-Halbzelle. Diese wurde als Nullpunkt gesetzt, heißt diese gibt von sich aus keinen Strom.

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.

Um noch mehr zu dem Thema zu erfahren, schau Dir die Erklärung zur elektrochemischen Spannungsreihe und zur Standard-Wasserstoff-Halbzelle an

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.

Daniel-Element Anodenreaktion StudySmarter

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:

Daniel-Element Kathodenreaktion StudySmarter

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

Die gesamte Reaktionsgleichung des Daniell-Elements lautet dann:

Daniel-Element Reaktionsgleichung StudySmarter

Durch das ständige Abscheiden von Atomen an der Anode und das Zufügen von Atomen an der Kathode, verringert sich das Volumen der Anoden-Elektrode ständig, während das Volumen der Kathoden-Elektrode stetig wächst.

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 = EKathode - EAnode

ΔE = EKupfer - EZink = 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.

Daniell-Element - Das Wichtigste

  • Beim Daniell-Element handelt es sich um eine Version der galvanischen Zelle.
  • Das Daniell-Element besteht aus den Halbzellen von Zink und Kupfer.
  • Die Reaktionsgleichung des Daniell-Elements lautet: Daniel-Element Reaktionsgleichung StudySmarter.
  • Durch die Übergabe von Elektronen vom Zink zum Kupfer entsteht ein Elektronenfluss, welcher als Stromstärke genutzt und gemessen werden kann.
  • Das Daniell-Element kommt heutzutage vorwiegend in der Lehre als Modell für die galvanische Zelle vor.

Nachweise

  1. chemieunterricht.de: Daniell-Element (09.09.2022)
  2. catalysis.de: Elektrodenpotenziale im Gleichgewicht (14.09.2022)
  3. Torsten Schmiermund (2019). Das Chemiewissen für die Feuerwehr. Springer-Verlag GmbH.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Daniell-Element

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. 

Nein, bei dem Daniell Element handelt es sich um eine Primärzelle, also um eine Batterie und nicht um einen Akku.

Bei dem Daniell-Element wird aus der chemischen Energie, die durch die Reaktionen frei wird, elektrische Energie, die Du dann als Strom für Sachen wie Glühbirnen nutzen kannst.

Ja, dadurch dass das Daniell-Element Strom liefert und nicht wieder aufladbar ist, handelt es sich um eine Primärzelle, also um eine Batterie.

Finales Daniell-Element Quiz

Frage

Beschreibe die Vorgänge im Daniell-Element in Worten.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Atome im Zink-Stab geben Elektronen ab und gehen als Zn2+-Ionen in Lösung. Die freigesetzten Elektronen wandern durch die Kabel zur Oberfläche des Kupfer-Stabes, wo sie Cu2+-Ionen aus der Lösung zu elementaren Cu-Atomen reduzieren. Der Ladungsausgleich zwischen den Halbzellen erfolgt durch eine Wanderung von Sulfat-Ionen durch das Diaphragma von der Cu / Cu2+-Halbzelle in die Zn / Zn2+-Halbzelle.

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Frage

Zeichne das Daniell-Element.

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Antwort

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Frage

Beschreibe die elektrochemischen Vorgänge an den Elektroden im Daniell-Element durch zwei Halbzellenreaktionen.

Antwort anzeigen

Antwort

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Frage

Beschreibe die Vorgänge im Daniell-Element!

Antwort anzeigen

Antwort

Die Atome im Zink-Stab geben Elektronen ab und gehen als Zn2+-Ionen in Lösung. Die freigesetzten Elektronen wandern durch die Kabel zur Oberfläche des Kupfer-Stabes, wo sie Cu2+-Ionen aus der Lösung zu elementaren Cu-Atomen reduzieren. Der Ladungsausgleich zwischen den Halbzellen erfolgt durch eine Wanderung von Sulfat-Ionen durch das Diaphragma von der Cu / Cu2+-Halbzelle in die Zn / Zn2+-Halbzelle.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Daniell-Element?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Daniell-Element ist eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht.

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Frage

Nach wem wurde das Daniell-Element benannt?

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Antwort

Das Daniell-Element wurde nach dem Entdecker der Zelle benannt: John Frederic Daniell.

Frage anzeigen

Frage

Was für ein Modell ist das Daniell-Element?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Daniell-Element ist ein einfaches Modell für galvanische Zellen.

Frage anzeigen

Frage

Wie ist das Daniell-Element aufgebaut (modellhaft)?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Kupferstab und Zinkstab mit ihrer Ionenlösung werden leitend miteinander verbunden
  • Reaktion, wenn beides elektrisch und elektrolytisch miteinander verbunden ist
  • Elektrolytisch: mit Salzbrücke, die Diffusions-Durchmischungen verhindern soll und Ladungsausgleich ermöglicht

Frage anzeigen

Frage

Was ist die 1. Funktionsweise des Daniell-Elements?

Antwort anzeigen

Antwort

Kupfer ist edler als Zink; d.h. die Lösungstension von Zink ist größer. Daher gehen am Kupferstab nur wenige Kupferionen in die Lösung, während sich am Zinkstab viele Zinkionen ablösen und ihre Elektronen im Metall zurücklassen. Die Zinkelektrode ist deshalb negativer geladen als der Kupferstab. So baut sich eine Spannung auf.

Frage anzeigen

Frage

Was passiert mit den freigewordenen Elektronen im Daniell-Element?

Antwort anzeigen

Antwort

Überschüssige Elektronen im Zink wandern über den Leiter von der Zink-Halbzelle zur Kupfer-Halbzelle. Dabei lässt sich eine Spannung von 1,11 Volt messen. 

Frage anzeigen

Frage

Wieso gewinnt die Kupferelektrode an Volumen?

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Antwort

Die gelösten Kupferionen nehmen die gewanderten Elektronen auf und lagern sich als elementares Kupfer an der Elektrode ab.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die 4. Funktionsweise des Daniell-Elements?

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Antwort

Nun gehen auf der einen Seite positive Zinkionen in die Lösung und auf der anderen Seite lagern sich Kupferionen ab. Es muss ein Ladungsausgleich stattfinden, was über die Salzbrücke passiert. So wird der Stromkreis geschlossen. Die beiden Teilvorgänge dieser Redoxreaktion können räumlich getrennt werden. So

gehen die Elektronen nicht direkt vom System Zn/Zn2+ auf das System Cu/Cu2+ über, sondern wandern zuerst über einen Draht vom Zn zum Cu. Es fließt ein Elektronenstrom.

Frage anzeigen

Frage

Wie nennt man die getrennten Teilsysteme?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Teilsysteme in einem galvanischen Element nennt man Halbzellen.

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Frage

Wie wird die elektrische Spannung auch genannt und mit welcher Formel berechnet man diese?

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Antwort

Die elektrische Spannung wird auch elektromotorische Kraft genannt. Diese wird mit folgender Formel berechnet:


Frage anzeigen

Frage

Was stellt der Plus-/Minus-Pol dar?

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Antwort

Beim Daniell-Element stellt die Anode den Minuspol und die Kathode den Pluspol dar.

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Frage

Welche Zuordnung gilt bei der Anode und Kathode?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Anode ist die Elektrode, an der Teilchen oxidiert werden. Die Kathode ist die Elektrode, an der Teilchen reduziert werden.

Frage anzeigen

Frage

Nenne eine Eselsbrücke, um sich die Zuordnung der Anode und Kathode zu merken.

Antwort anzeigen

Antwort

  • An-o-de: An Oxidation denken
  • O-M-A (Oxidation, Minuspol, Anode)
  • Anode und Oxidation- das A und O der Elektrochemie
  • A O K (R)- Anode-Oxidation; Kathode-Reduktion

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