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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!
Das Daniell-Element wird auch Daniell’sches Element genannt und ist eine Galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht. Dieses wurden von John Frederic Daniell 1836 erfunden und so auch nach ihm benannt. Sie wurde nach dem Entdecker der Zelle benannt.
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.
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 Dƒu 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.
Das Daniell-Element beschreibt dabei eines dieser galvanischen Elemente mit den Metallen Kupfer und Zink als Elektrodenmetalle. Die dazugehörigen Lösungen beinhalten Kupfer- (CuSO4-) und Zinksulfat (ZnSO4-). Die jeweiligen Halbzelle von Zink und Kupfer werden dann Durch die Salzbrücke verbunden.
Das Prinzip funktioniert, indem es eine edleres und ein unedleres Metall innerhalb eines Systems gibt. Das bedeutet, dass die eine Elektrode, welche aus dem unedleren Metall besteht, eher dazu neigt 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-Elemets funktioniert, musst Du dir erst klar machen, was denn überhaupt ein edles und ein unedles Element ausmacht, nämlich deren Standardpotentiale.
Ein Standardpotential ist ein Wert der bestimmt, wie viel Strom (in Volt) eine Halbzelle abgibt. Dazu wurde eine 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.
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
Nun kannst Du anhand dieser Werte bestimmen, welches das edlere beziehungsweise unedlere Metall ist.
Denn die edleren Metalle haben immer einen höheren/positiveren Wert als die unedleren Metalle.
Dem Standardpotentialen nach zu urteilen ist also Zink das unedlere Metall und Kupfer das edlere.
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 Zink-Atom ab.
Damit gehen die zwei freien Elektronen, sowie das Zinkion (Zn2+) in die Elektrolytlösung über. Durch die vorhandene Salzbrücke wandern diese Elektronen dann rüber zur Halbzelle des Kupfers. Bei der Wanderung der Elektronen über die Salzbrücke entsteht ein Elektronenstrom, welcher dann als elektrische Spannung genutzt werden und mithilfe eines Voltmeters 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 Kupferatom:
Das dann entstandene Kupfer schlägt sich an der Kupfer-Elektrode nieder.
Die gesamte Reaktionsgleichung des Daniell-Elements ist dann:
Durch das ständige Abscheiden von Atomen an der Anode und das Zufügen von Atomen an der Kahode, verringert sich das Volumen der Anoden-Elektrode ständig, während das Volumen der Kathoden-Elektrode stetig wächst.
Zur Berechnung der Stromstärke 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 Stromstärke 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
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 Enteckung des galvanischen Elements, und somit auch vom Daniell-Element, wurde dieses vor allem in elektrischen Telegrafen verwendet.
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Frage
Zeichne ein DANIELL-Element.
Antwort
Frage
Beschreibe die elektrochemischen Vorgänge an den Elektroden im DANIELL-Element durch zwei Halbzellenreaktionen.
Antwort
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