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Galvanische Zelle

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Chemie

Die Galvanische Zelle wird auch galvanisches Element oder galvanische Kette genannt und ist ein Daniellsches Element. Sie ist eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie.

Vor allem in Batterien und Akkumulatoren wird die Galvanische Zelle verwendet. Jede Kombination aus zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten wird als galvanisches Element bezeichnet. Sie dienen als Gleichspannungsquellen.

Eine Charakteristik ist die Teilspannung bzw. eingeprägte Spannung. Das Produkt aus Entladungsstromstärke und -zeit ist die Kapazität eines galvanischen Elements.

Kurz gefasst:

  • Vorrichtung zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie
  • Kombination aus zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten
  • Hat eine Teilspannung

Welche Funktion hat eine Galvanische Zelle?

Die Funktion der galvanischen Zelle kommt von der Redoxreaktion. Räumlich getrennt laufen nämlich in je einer Halbzelle Reduktion und Oxidation ab.

Um den Stromkreis zu schließen, werden die beiden Halbzellen mit einem Elektronenleiter und einem Ionenleiter verbunden.

Mit der Nernst-Gleichung kannst du die Spannung des elektrischen Stroms berechnen. Je nach Metallart kann sich die Spannung und die Konzentration verändern. Im Gegensatz zur Elektrolyse kann in der galvanischen Zelle elektrische Energie gewonnen werden, während die Elektrolyse elektrische Energie verbraucht.

Die Anode einer galvanischen Zelle ist negativ geladen und die Kathode positiv. Bei der Elektrolyse ist es genau andersherum.

Zusammengefasst:

  • Pro Halbzelle läuft räumlich getrennt Oxidation und Reduktion ab → Redoxreaktion
  • Spannung hängt von Metallart und Konzentration ab
  • Es wird elektrische Energie gewonnen

Geschichte der Galvanische Zelle

Den Namen hat die galvanische Zelle vom italienischen Arzt Luigi Galvani. Er entdeckte, dass ein Instrument aus verschiedenen Metallarten Muskelzuckungen bei sich berührenden Froschschenkeln auslöst. Da das entstandene Redox-System als galvanisches Element Spannung aufbaut, sodass Strom fließen kann.

In der Nähe Bagdads wurden 1936 Tongefäße aus dem 2. Jahrhundert v. Chr. gefunden. Sie wurden unter dem Namen Bagdad- Batterien bekannt.

Beispiele für Galvanische Zellen

Jedes mal wenn zwei unterschiedliche Metalle in einer Elektrolytlösung sind, entsteht eine Spannung (galvanische Zelle). So kann z.B. aus Kupfer- und Silberelektroden ein galvanisches Element erzeugt werden:

Experiment Aufbau:

Dazu taucht man die Kupferelektrode in Kupfersulfat-Lösung und die Silberelektrode in Silbernitratlösung. Dann werden sie durch einen Draht, den Elektronenleiter, mit einem Voltmeter und einem Ionenleiter verbunden.

Erste Beobachtung mit Erklärung:

An der Kupferelektrode gehen mehr Cu²+ Ionen in Lösung als Cu Ionen wieder abscheiden. Da das Kupfer Elektronen an die Elektrode abgibt, sobald es in die Lösung geht, lädt sich die Elektrode negativ auf.

→ Wird zur Anode:

An der Silberelektrode scheiden sich hingegen mehr Ag+ Ionen an der Elektrode ab, als in Lösung gehen. Deswegen gibt es an der Silberelektrode Elektronenmangel und sie lädt sich positiv auf.

→ wird zur Kathode:

Wenn die zwei Elektroden elektrisch leitend verbunden werden, entsteht zwar eine Spannung, dennoch fließt noch kein Strom. Warum? Weil es an der Kupferelektrode einen Überschuss an Cu²+ Ionen gibt und die Lösung sich stark positiv auflädt. Daher gehen nur so viele Kupferionen in Lösung, wie sich gleichzeitig wieder an der Elektrode abscheiden. Ähnliches passiert in der Silbernitratlösung, nur dass sich die Lösung negativ auflädt, da vom neutralen Silbernitrat nur die negativ geladenen Nitrat-Ionen übrig bleiben.

SilbernitratlösungKupfersulfatlösung

Zweiter Schritt und Erklärung:

Deswegen sind die Elektrodenräume durch eine Ionenbrücke miteinander verbunden. Die ist da, um den Stromkreis zu schließen. Die Ionenbrücke ist meist ein U-Rohr, das mit einem Elektrolyten gefüllt ist und dessen Enden mit einer Membran oder einem Diaphragma versehen sind.

Über diese Salzbrücke erfolgt letztendlich ein Anionen-Austausch, um der Aufladung der einzelnen Zellen entgegen zu wirken.

Es gibt auch galvanische Zellen mit zwei gleichen Halbzellen, die sich in ihrer Konzentration unterscheiden. Diese bezeichnet man als Konzentrationselement.

Der Deflagrator ist auch eine Galvanische Zelle.

Die Galvanische Zelle - Alles Wichtige auf einen Blick

  • Vorrichtung zur Umwandlung in elektrische Energie
  • Besteht aus einer Kombi aus zwei verschiedenen Elektroden (Zwei Metallen) und einem Elektrolyten
  • Je Halbzelle läuft eine Oxidation und Reduktion ab
  • Je nach Metallart und Konzentration gibt es eine andere Spannung

Gut gemacht! Nachdem du alles fleißig durchgelesen hast, weißt du nun alles Wissenswerte zur Galvanischen Zelle!

Finales Galvanische Zelle Quiz

Frage

Erkläre den Begriff galvanische Zelle. 

Antwort anzeigen

Antwort

Eine galvanische Zelle besteht aus zwei Halbzellen und kann elektrische Energie liefern. 

Frage anzeigen

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.

Frage anzeigen

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.

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die Galvanische Zelle noch genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

galvanisches Element oder galvanische Kette

Frage anzeigen

Frage

Wo wird die Galvanische Zelle verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

in Batterien und Akkumulatoren

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Charakteristik der Galvanischen Zelle?

Antwort anzeigen

Antwort

die Teilspannung bzw. eingeprägte Spannung

Frage anzeigen

Frage

Welche Funktion hat eine Galvanische Zelle?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Die Funktion der galvanischen Zelle kommt von der Redoxreaktion
  • Räumlich getrennt laufen nämlich in je einer Halbzelle Reduktion und Oxidation ab
  • Es wird elektrische Energie gewonnen
Frage anzeigen

Frage

Wie wird der Stromkreis geschlossen?

Antwort anzeigen

Antwort

Um den Stromkreis zu schließen, werden die beiden Halbzellen mit einem Elektronenleiter und einem

Ionenleiter verbunden.

Frage anzeigen

Frage

Woher hat die Galvanische Zelle ihren Namen?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Vom italienischen Arzt Luigi Galvani
  • Er entdeckte, dass ein Instrument aus verschiedenen Metallarten Muskelzuckungen bei sich berührenden Froschschenkeln auslöst
  • Da das entstandene Redox-System als galvanisches Element Spannung aufbaut, sodass Strom fließen kann
Frage anzeigen

Frage

Wann entsteht immer eine Galvanische Zelle?

Antwort anzeigen

Antwort

Jedes mal wenn zwei unterschiedliche Metalle in einer Elektrolytlösung sind, entsteht eine

Spannung (galvanische Zelle)

Frage anzeigen

Frage

Nenne ein Beispiel, aus dem eine Galvanische Zelle entstehen kann.

Antwort anzeigen

Antwort

z.B. aus Kupfer- und Silberelektroden kann ein galvanisches Element erzeugt werden

Frage anzeigen

Frage

Wie entsteht aus Kupfer- und Silberelektroden ein

galvanisches Element?

Antwort anzeigen

Antwort

  • An der Kupferelektrode gehen mehr Cu2+ Ionen in Lösung als Cu Ionen wieder abscheiden
  • Da das Kupfer Elektronen an die Elektrode abgibt, sobald es in die Lösung geht, lädt sich die

    Elektrode negativ auf → Wird zur Anode

  • An der Silberelektrode scheiden sich hingegen mehr Ag+ Ionen an der Elektrode ab, als in
    Lösung gehen

  • Deswegen gibt es an der Silberelektrode Elektronenmangel und sie lädt sich
    positiv auf → wird zur Kathode

Frage anzeigen

Frage

Wie lautet der Experiment Aufbau für die Erzeugung einer galvanischen Zelle aus Kupfer- und Silberelektroden?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Dazu taucht man die Kupferelektrode in Kupfersulfat-Lösung und die Silberelektrode in Silbernitratlösung
  • Dann werden sie durch ein Draht, den Elektronenleiter, mit Voltmeter und einem Ionenleiter verbunden
Frage anzeigen

Frage

Warum fließt noch kein Strom,  wenn die zwei Elektroden elektrisch leitend verbunden werden?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Weil es an der Kupferelektrode einen Überschuss an Cu2+ Ionen gibt und die Lösung sich stark positiv auflädt
  • Daher gehen nur so viele Kupferionen in Lösung, wie sich gleichzeitig wieder an der Elektrode abscheiden
  • Ähnliches passiert in der Silbernitratlösung, nur dass sich die Lösung negativ auflädt, da vom neutralen Silbernitrat nur die negativ geladenen Nitrat-Ionen übrig bleiben
Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Ionenbrücke?

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Antwort

  • Die ist da, um den Stromkreis zu schließen
  • Die Ionenbrücke ist meist ein U-Rohr, das mit einem Elektrolyten gefüllt ist und dessen Enden mit einer Membran oder einem Diaphragma versehen sind
Frage anzeigen

Frage

Was bewirkt eine Ionenbrücke?

Antwort anzeigen

Antwort

Über diese Salzbrücke erfolgt letztendlich ein Anionenaustausch, um der Aufladung der

einzelnen Zellen entgegen zu wirken

Frage anzeigen

Frage

Was bezeichnet man als Konzentrationselement?

Antwort anzeigen

Antwort

galvanische Zellen mit zwei gleichen Halbzellen, die sich in ihrer Konzentration unterscheiden

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Daniell-Element?

Antwort anzeigen

Antwort

  • auch Daniell’sches Element genannt
  •  ist eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht.
Frage anzeigen

Frage

Nach wem wurde das Daniell-Element benannt?

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Antwort

nach dem Entdecker der

Zelle benannt: John Frederic Daniell

Frage anzeigen

Frage

Was für ein Modell ist das Daniell-Element?

Antwort anzeigen

Antwort

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 ist die 2. Funktionsweise des Daniell-Elements? 

Antwort anzeigen

Antwort

Überschüssige Elektronen im Zink wandern über den Leiter vom Zink zum Kupfer. Dabei lässt sich eine Spannung von 1,11 Volt messen. Dies ist die Elektromotorische Kraft, die

sich aus dem Redoxpotential von Kupfer und dem Zink zusammensetzt.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die 3. Funktionsweise des Daniell-Elements?

Antwort anzeigen

Antwort

Die gelösten Kupferionen nehmen anschließend die Elektronen auf und lagern sich als

Kupfer an der Elektrode ab.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die 4. Funktionsweise des Daniell-Elements?

Antwort anzeigen

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?

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Antwort

“Halbzellen”

Frage anzeigen

Frage

Was stellt der Plus-/Minus-Pol dar?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Daniell-

Element stellt die Anode den Minuspol und die Kathode den Pluspol dar.

Frage anzeigen

Frage

Was stellt der Plus-/Minus-Pol dar?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Daniell-

Element stellt die Anode den Minuspol und die Kathode den Pluspol dar.

Frage anzeigen

Frage

Welche Zuordnung gilt bei der Anode und Katode?

Antwort anzeigen

Antwort

Anode: Elektrode, an der Teilchen oxidiert werden.

Kathode: Elektrode, an der Teilchen reduziert werden.

Frage anzeigen

Frage

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

Antwort anzeigen

Antwort

An-o-de: An Oxidation denken.

Oder: O-M-A (Oxidation, Minuspol, Anode)

Oder: Anode und Oxidation- das A und O der Elektrochemie

Oder: A O K (R)- Anode-Oxidation; Kathode-Reduktion

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Frage

Ist eine Zink-Luft-Batterie wiederaufladbar?

Antwort anzeigen

Antwort

Nein. Zink-Luft-Batterien sind Einwegzellen. 

Frage anzeigen

Frage

Wodurch entsteht bei der Zink-Luft-Batterie Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

Durch die chemische Reaktion der Oxydation von Zink. 

Frage anzeigen

Frage

Wo finden Zink-Luft-Batterien Verwendung?

Antwort anzeigen

Antwort

Hörgeräte

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Frage

Wie schnell entladen sich Zink-Luft-Batterien etwa pro Jahr?

Antwort anzeigen

Antwort

3%

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Frage

Was muss bei der Lagerung beachtet werden, damit die Batterien sich nicht selbst entladen?

Antwort anzeigen

Antwort

Wichtig ist, dass die Luftlöcher versiegelt sind. Hier reicht ein Klebestreifen, den man vor Benutzung einfach abzieht. 

Frage anzeigen

Frage

Wie hoch ist die maximale Spannung der Batterie?

Antwort anzeigen

Antwort

2V

Frage anzeigen

Frage

Wie ist eine Zink-Luft-Batterie aufgebaut?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Die Anode ist aus Zinkpulver
  • Die Kathode wird aus dem Luftsauerstoff gebildet
  • Durch kleine Luftlöcher am Boden gelangt Sauerstoff ins Innere
  • Zwischen dem Sauerstoff und dem Zinkpulver liegt ein Separator und ein Kohlenstoffgitter

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Frage

Wodurch kann die Spannung der Batterie gedrosselt werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Luft

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Frage

Wie werden Zink-Luft-Batterien auch genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

Knopfzelle

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Frage

Gehört die Zink-Luft-Batterie zu den Primärzellen?

Antwort anzeigen

Antwort

Ja! Sie ist eine Einwegzelle und kann nicht wieder aufgeladen werden. 

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Frage

Wer hat Lithium-Ionen-Akkus erfunden?

Antwort anzeigen

Antwort

Die ersten Entdeckungen bezüglich der Speicherung von Lithium-Ionen waren von Stanley Whittingham. Weiterentwickelt haben es Goodenough und Yoshino. Alle drei bekamen 2019 den Nobelpreis für Chemie.

Frage anzeigen

Frage

Aus welchen Komponenten bestehen Lithium-Ionen-Akkus?

Antwort anzeigen

Antwort

  • positive Elektrode (Lithium-Metalloxid) 
  • negative Elektrode (z.B. Graphit) 
  • Stromableiter
  • Elektrolyt 
  • Separator 
Frage anzeigen

Frage

Die Energie pro Gewicht nennt man ...

Antwort anzeigen

Antwort

gravimetrische Energiedichte

Frage anzeigen

Frage

Die Energie pro Volumen nennt man ...

Antwort anzeigen

Antwort

volumetrische Energiedichte

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Frage

Warum werden Lithium-Ionen-Akkus verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Lithium-Ionen-Akkus sind leicht und haben eine hohe Energiedichte. Außerdem haben sie eine lange Lebensdauer.

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Frage

Wogegen sind Lithium-Ionen-Akkus empfindlich?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Hitze 
  • Kälte 
  • Sonneneinwirkung 
  • Überspannung 
  • Tiefenentladung
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Frage

Warum wird ein Separator benötigt?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Separator verhindert den direkten Kontakt der Elektroden und wirkt so einem Kurzschluss entgegen. 

Frage anzeigen

Frage

Warum ist es wichtig, dass die Lithium-Ionen zwischen den Elektroden wandern?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Lithium-Ionen gleichen den externen Elektronenstrom aus und sorgen dafür, dass die Elektroden elektrisch neutral bleiben.

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Frage

Was passiert beim Entladen?

Antwort anzeigen

Antwort

Während des Entladeprozesses werden Lithium-Atome in der Graphitelektrode oxidiert. Die Elektronen wandern über einen externen Stromkreis zur anderen Elektrode, während die Lithium-Ionen durch das Elektrolyt zur selben Elektrode wandern, wo sie dann reduziert werden.

Frage anzeigen

Frage

Was passiert beim Aufladen?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Aufladen oxidieren Lithium-Atome in der Mischoxidelektrode. Die Elektronen wandern über einen externen Stromkreis zur Graphitelektrode, während die Lithium-Ionen durch das Elektrolyt ebenfalls zur Graphitelektrode wandern. Dort rekombinieren Elektronen und Lithium-Ionen. 

Frage anzeigen
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