Galvanische Zelle

Im Alltag kennen wir es alle, Handy, Fernbedienung, Musikbox oder auch Powerbanks sind unsere täglichen Begleiter oder werden zumindest vielfach benötigt. Aber damit diese Dinge überhaupt tragbar sind und Strom speichern können, benötigen sie eine Batterie beziehungsweise Akkus. Batterien und Akkus sind alle auf die galvanische Zelle zurückzuführen und mehr darüber erfährst Du hier!

Galvanische Zelle Aufbau

Hier siehst Du ein Zelldiagramm einer galvanischen Zelle. Dabei können die Komponenten der galvanischen Zelle variieren, hier ist ein Daniell-Element gezeigt, welchen aus den Elementen Kupfer und Zink besteht.

Abbildung 1: Das Daniell Element als Beispiel für die galvanische Zelle

Hier siehst Du eine Abbildung der galvanischen Zelle am Beispiel des Daniell-Elements. Dazugehören die beiden Gefäße, die hier mit den Elektrolytlösungen Zinksulfat (ZnSO₄^-) und Kupfersulfat (CuSO₄^-) gefüllt sind. Zusammen mit den darin liegenden Elektroden, die jeweils aus dem reinen Metall, welches sich auch in der Lösung befindet, besteht. Hier in diesem Fall wäre das eine Zinkelektrode im Zinksulfat und eine Kupferelektrode im Kupfersulfat.

Die beiden Gefäße, die je eine Halbzelle darstellen, sind über eine sogenannte Salzbrücke verbunden. Eine Salzbrücke besteht meist aus einem Rohr, welches mit einer Salzlösung wie Kaliumchlorid gefüllt ist. Die Salzbrücke dient dazu, Anionen zwischen Elektrolytlösungen der beiden Halbzellen hin und her zu leiten.

Funktionsweise der galvanischen Zelle

Eine galvanische Zelle funktioniert, indem an der einen Elektrode eine Elektronenabgabe, also eine Oxidation und an der anderen Elektrode eine Elektronenaufnahme, also Reduktion stattfindet.

Die bei der Oxidation frei werdenden Elektronen wandern dann über die Salzbrücke zur Halbzelle, wo die Reduktion stattfindet. Auf diesem Weg der Ionen über die Salzbrücke entsteht ein Strom, der mit einem Spannungsmessgerät gemessen werden kann. Dieser entstandene Strom kann dann für die erwähnten Beispiele in Batterien und Akkus genutzt werden.

Galvanische Zelle – das Standardpotential und dessen Rolle

Das Standardpotential bestimmt, an welcher Elektrode die Oxidation und an welcher die Reduktion stattfindet.

Das Standardpotential bestimmt man, indem die Halbzelle eines Elements mit einer Standard-Halbzelle verbunden wird. Diese Standard-Halbzelle ist eine Wasserstoffhalbzelle, welche als Elektrolytlösung Hydronium (H₃O⁺) besitzt und dort stellt Platin die Elektrode dar.

In dieser Konstellation wird dann mithilfe eines Spannungsmessgeräts der fließende Strom gemessen. Das ist dann auch der Wert für das Standardpotential. Wenn das Standardpotential positiv ist, nimmt das entsprechende Element Elektronen auf. Wenn es negativ ist, dann gibt das Element Elektronen ab.

Grundsätzlich sind die Standardpotentiale in einer Tabelle zusammengefasst, wo Du sie ablesen kannst, denn diese verändern sich für die einzelnen Elemente nicht.

Galvanische Zelle – Tabelle der Standardpotentiale

Hier kannst Du nun die einzelnen Standardpotentiale für die Elemente sehen.

Am Anfang der Tabelle steht die Reaktionsgleichung, welche auf den Wert 0 als Standardpotential genormt wurde. Im Bezug zu dieser Halbzelle wurde das Standardpotential für alle anderen Halbzellen bestimmt.

Galvanische Zelle – Berechnung der Potentialdifferenz

Jedoch gibt jede unterschiedlich zusammengesetzte galvanische Zelle eine andere Menge an Strom bzw. Spannung (U) ab. Diese kannst du jedoch ganz einfach mit folgender Gleichung berechnen:

${\mathrm{\Delta E}}^0={\mathrm{E}}^0\left(\mathrm{Kathode}\right)–{\mathrm{E}}^0\left(\mathrm{Anode}\right)$

Dafür benötigst du einfach nur die Standardpotentiale der beiden verwendeten Halbzellen und ziehst den Wert der Anode vom Wert der Kathode ab.

Galvanische Zelle Reaktionsgleichung

Die Formel von Nernst zeigt, wie das Redoxpotential durch Änderungen der Reaktantenkonzentrationen in der Reaktion beeinflusst wird. Damit verändert sich auch die Fähigkeit zu oxidieren oder zu reduzieren.

Heißt, durch die Änderung der Konzentration von beispielsweise der Elektrolytlösung in einer der Halbzellen, ändert sich auch das Redoxpotential.

Die Nernst-Gleichung lautet:

$E=E^0+\frac{R\times T}{n\times F}\times \ln \frac{c\left(Ox\right)}{c\left(Red\right)}$

Dabei steht E⁰ für das Standardpotential des Redoxpaares, R ist die Gaskonstante, welche immer den Wert 8,314 $\frac{J}{mol·K}$ besitzt und T steht für die Temperatur, die während der Reaktion herrscht.

Das kleine n steht für die Anzahl an übertragenen Elektronen, was beim Beispiel des Daniell-Elements zwei Elektronen wären. F steht für die Faraday-Konstante, die auch immer den gleichen Wert besitzt, nämlich 96485,309 $\frac{c}{mol}$. c(Ox) und c(Red) sind die jeweiligen Konzentrationen des Reaktanden, welcher Elektronen abgibt (Ox) und dem Reaktanden, welcher die Elektronen dann aufnimmt (Red).

Galvanische Zelle – Verwendung

Man kann galvanische Zellen grundsätzlich in drei verschiedene Gruppen einteilen.

Primärzellen

Die erste Gruppe bilden die Primärelemente, zu denen alle Batterien gehören. Batterien sind grundsätzlich nicht wieder aufladbar. Das heißt, eine Batterie kann nur einmalig Spannung erzeugen und die Reaktion ist nicht wieder umkehrbar.

Sekundärzellen

Zu den Sekundärelementen gehören die Akkumulatoren oder auch kurz: Akkus. Diese sind im Gegensatz zu den Batterien wieder aufladbar, man kann also die Reaktion umkehren und der Akku kann mehrere Male Spannung erzeugen. Dies ist jedoch auch begrenzt.

Tertiärzellen

Tertiärzellen werden auch Brennstoffzellen genannt, diese werden beispielsweise oft in Autos verwendet. Beispiele hierfür sind die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle oder die Direktmethanol-Brennstoffzelle. Bei dieser galvanischen Zelle gibt es keine geschlossenen Behältnisse für die Reaktanden, sondern diese werden kontinuierlich von außen zugeführt. Dadurch wird die Lebensdauer der Zelle nicht beschränkt und kann rein theoretisch so kontinuierlich in Betrieb genommen werden.