Galvanische Zelle

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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 ein Draht, den Elektronenleiter, mit 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


Zum Schluss ist hier das Wichtigste zusammengefasst:


  • 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

Wird eine violette Kaliumpermanganat Lösung mit Natriumsulfit und 3 Tropfen Schwefelsäure versetzt, entfärbt sich die Lösung vollständig.

 

  1. Begründen Sie die Beobachtung.
  2. Was müsste man am Versuch verändern, um einen braunen Niederschlag, oder
  3. eine Grünfärbung der Lösung zu erhalten?
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Antwort

  1.  Wird eine Permanganat-Lösung (MnO4-) im sauren reduziert, so entsteht stets das farblose Mangan (II) Ion.
  2. Einen braunen Niederschlag wird erhalten, wenn Permanganat-Ionen (MnO4-) im neutralen reduziert werden es entsteht Braunstein (MnO2) bei dem Mangan eine Oxidationszahl von +4 besitzt. - Man dürfte keine Schwefelsäure zugeben.
  3. Eine Grünfärbung wird erhalten, wenn Permanganat-Ionen (MnO4-) im basischen reduziert werden. Dann entsteht das MnO42- mit Mangan in der Oxidationsstufe +6. - Man müsste anstatt Schwefelsäure Natriumhydroxid zugeben.



Frage anzeigen

Frage

Die Reduktion von Nitrat-Ionen durch Eisen(II) zu Stickstoffmonoxid in saurer Lösung und die anschließende Komplexbildung wird als Nachweisreaktion für Nitrat-Ionen genutzt.


Entwickeln Sie ausgehend von Teilgleichung, die Gleichung in Ionenschreibweise für die beschriebene Redoxreaktion

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Antwort

Ox.:   Fe²⁺ ⇌ Fe³⁺ + e⁻

Red.:  NO₃⁻ + 4H₃O⁺ + 3e⁻ ⇌ NO + 6H₂O

 

Redox: NO₃⁻ + 4H₃O⁺ + 3Fe²⁺⇌ 3Fe³⁺ + NO + 6H₂O

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Frage

Erläutern Sie unter Einbeziehung der Teilgleichung, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt. Um Welche Sonderform der Redoxreaktion handelt es sich.



Im Labor kann man reinen Stickstoff durch Erhitzen einer Lösung herstellen, die Ammonium- und Nitrit-Ionen enthält, wobei folgende Reaktion abläuft:

 

 

NH₄⁺ + NO₂⁻   ⇌        N₂ + 2H₂O


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Antwort

Ox.:     2NH₄⁺ + 8H₂O            ⇌ 8H₃O⁺ + 6e⁻ + N₂

Red.:   2NO₂⁻ + 8H₃O⁺ + 6e⁻   ⇌ N₂ + 12H₂O

 

Redox: 2NH₄⁺ + 2NO₂⁻           ⇌ 2N₂ + 4H₂O


Redoxreaktion sind chemische Reaktionen bei denen Oxidation und Reduktion gleichzeitig ablaufen. Es findet ein Elektronenübergang vom Reduktionsmittel zum Oxidationsmittel über. Es findet eine Änderung der Oxidationszahlen statt

 

Ammonium-Ionen geben Elektronen ab; sie werden zu Stickstoff-Molekülen oxidiert und sind das Reduktionsmittel. Nitrit-Ionen nehmen Elektronen auf, sie werden zu Stickstoff-Molekülen reduziert und sind das Oxidationsmittel. Es findet ein Elektronenübergang statt.

 

Es handelt es sich hierbei um eine Komproportionierung (oder Synproportionierung). Das ist eine Sonderform der Redoxreaktion bei dem ein Molekül von höherer Oxidationszahl (NO₂⁻) und ein Molekül von niederer Oxidationszahl (NH₄⁺) zu einem Molekül mittlerer Oxidationszahl (N₂) reagieren.

 

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Frage

Rutil (TiO2) wird in einem Großtechnischen Verfahren mit Koks (Kohlenstoff) vermischt und in Chlorgas zu Titan(IV)chlorid und Kohlenmonoxid umgesetzt. Entwickeln Sie für diese Umsetzung die Reaktionsgleichung und begründen Sie unter Einbeziehung von Teilgleichungen die Reaktionsart.

 


 

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Antwort

Ox.:   TiO₂ + 2C ⇌ Ti⁴⁺ + CO₂ + 4e⁻

Red.:  Cl₂ + 2e⁻ ⇌ 2Cl⁻

Redox: TiO₂ + 2C + 2Cl₂ ⇌ TiCl₄ + CO₂



Es handelt sich um eine Redoxreaktion, da Elektronenübergang stattfindet. Dabei wird der Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid oxidiert (Erhöhung der Oxidationszahl) und Chlor zu Chlorid-Ionen reduziert (Erniedrigung der Oxidationszahl).

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Frage

Ergänze den folgenden Satz mit der  richtigen Zahl:

 

Elementverbindungen und Elemente haben immer die Oxidationszahl ____.

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Antwort

3

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Frage

Ergänze folgenden Satz mit dem richtigen Begriff: 


Die Summe der Oxidationszahlen muss der Ladung des ____ entsprechen.

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Antwort

Atoms

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Frage

Welche Oxidationszahl hat Fluor in einer Verbindung (außer F2).

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Antwort

-1

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Frage

Erkläre den Begriff Redoxreaktion.

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Antwort

Als Redoxreaktionen werden Reaktionen bezeichnet, bei denen ein Elektronenübergang erfolgt. Dabei bedeutet Oxidation eine Elektronenabgabe und Reduktion eine Elektronenaufnahme.

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Frage

Was gibt die Oxidationszahl an? 

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Antwort

Die Oxidationszahl ist eine gedachte Ladung, die man erhält, wenn man die Bindungselektronen jeweils dem Atom mit der größeren Elektronegativität zuordnet.

Frage anzeigen

Frage

Nenne 6 Regeln zur Festlegung der Oxidationszahl.

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Antwort

  1. Elemente haben die Oxidationszahl 0
  2. In Molekülen ist die Summe aller Oxidationszahlen 0
  3. Bei Ionen ist die Oxidationszahl gleich der Ladung
  4. Metalle haben stets eine positive Oxidationszahl
  5. H-Atom: +1
  6. O-Atom: –2
Frage anzeigen

Frage

Nenne die 5 Schritte zur Formulierung der Teilgleichungen für Oxidation und Reduktion.

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Aufstellen des Redoxpaares mit stöchiometrischen Koeffizienten 
  2. Elektronenausgleich durch Vergleich der Oxidationszahlen (Fakto- ren und Indexzahlen beachten!) 
  3. Falls nötig: Ladungsausgleich mit H3O+-Ionen (im Sauren) oder OH–-Ionen (im Alkalischen)
  4. Falls nötig: Stoffausgleich mit H2O-Teilchen 
  5. Überprüfen der Teilgleichung
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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

Wie werden die Standardredoxpotenziale ermittelt?

Antwort anzeigen

Antwort

Für die Messung kombiniert man die zu messende Halbzelle unter Standardbedingungen mit einer Standardwasserstoffelektrode zu einem galvanischen Element und misst die auftretende Leerlaufspannung. Diese entspricht dem zu messenden Standardredoxpotenzial, da E0(H2/2H+) = 0 V.

Frage anzeigen

Frage

Was versteht man unter dem Begriff Standardbedingungen?

Antwort anzeigen

Antwort

Temperatur: 25 °C

Druck: 1013 mbar

Konzentration: 1 mol/l

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Vorgänge bei einer Elektrolyse.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einer Elektrolyse wird eine Redoxreaktion durch Zufuhr von elek-trischem Strom erzwungen. Dabei zersetzt sich der beteiligte Elektrolyt.

Frage anzeigen

Frage

Was sind Primärelemente?

Antwort anzeigen

Antwort

Galvanische Elemente, die nicht wiederaufladbar sind („Batterien“) z. B. Zink-Kohle-Batterie

Frage anzeigen

Frage

Was sind Sekundärelemente?

Antwort anzeigen

Antwort

Galvanische Elemente, die sich durch Zufuhr elektrischer Energie wieder aufladen lassen („Akkus“) z. B. Blei-Akkumulator

Frage anzeigen

Frage

Was sind Brennstoffzellen?

Antwort anzeigen

Antwort

Galvanische Elemente, deren Edukte nachgefüllt werden können z. B. Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen

Frage anzeigen

Frage

Erkläre den Begriff Redoxreaktion.

Antwort anzeigen

Antwort

Als Redoxreaktionen werden Reaktionen bezeichnet, bei denen ein Elektronenübergang erfolgt. Dabei bedeutet Oxidation eine Elektronenabgabe und Reduktion eine Elektronenaufnahme.

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Frage

Was gibt die Oxidationszahl an? 

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Antwort

Die Oxidationszahl ist eine gedachte Ladung, die man erhält, wenn man die Bindungselektronen jeweils dem Atom mit der größeren Elektronegativität zuordnet.

Frage anzeigen

Frage

Nenne 6 Regeln zur Festlegung der Oxidationszahl.

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Antwort

  1. Elemente haben die Oxidationszahl 0
  2. In Molekülen ist die Summe aller Oxidationszahlen 0
  3. Bei Ionen ist die Oxidationszahl gleich der Ladung
  4. Metalle haben stets eine positive Oxidationszahl
  5. H-Atom: +1
  6. O-Atom: –2
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Frage

Nenne die 5 Schritte zur Formulierung der Teilgleichungen für Oxidation und Reduktion.

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Antwort

  1. Aufstellen des Redoxpaares mit stöchiometrischen Koeffizienten 
  2. Elektronenausgleich durch Vergleich der Oxidationszahlen (Fakto- ren und Indexzahlen beachten!) 
  3. Falls nötig: Ladungsausgleich mit H3O+-Ionen (im Sauren) oder OH–-Ionen (im Alkalischen)
  4. Falls nötig: Stoffausgleich mit H2O-Teilchen 
  5. Überprüfen der Teilgleichung
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Frage

Erkläre den Begriff galvanische Zelle. 

Antwort anzeigen

Antwort

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

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Frage

Beschreibe die Vorgänge im DANIELL-Element in Worten.

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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

Wie werden die Standardredoxpotenziale ermittelt?

Antwort anzeigen

Antwort

Für die Messung kombiniert man die zu messende Halbzelle unter Standardbedingungen mit einer Standardwasserstoffelektrode zu einem galvanischen Element und misst die auftretende Leerlaufspannung. Diese entspricht dem zu messenden Standardredoxpotenzial, da E0(H2/2H+) = 0 V.

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Frage

Was versteht man unter dem Begriff Standardbedingungen?

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Antwort

Temperatur: 25 °C

Druck: 1013 mbar

Konzentration: 1 mol/l

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Frage

Beschreibe die Vorgänge bei einer Elektrolyse.

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Antwort

Bei einer Elektrolyse wird eine Redoxreaktion durch Zufuhr von elek-trischem Strom erzwungen. Dabei zersetzt sich der beteiligte Elektrolyt.

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Frage

Was sind Primärelemente?

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Antwort

Galvanische Elemente, die nicht wiederaufladbar sind („Batterien“) z. B. Zink-Kohle-Batterie

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Frage

Was sind Sekundärelemente?

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Antwort

Galvanische Elemente, die sich durch Zufuhr elektrischer Energie wieder aufladen lassen („Akkus“) z. B. Blei-Akkumulator

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Frage

Was sind Brennstoffzellen?

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Antwort

Galvanische Elemente, deren Edukte nachgefüllt werden können z. B. Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen

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Frage

Was ist eine Reduktion?

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Antwort

Wenn ein Stoff Elektronen aufnimmt, wird er reduziert.

Elektronenaufnahme = Stoff reduziert

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Frage

Nenne ein Beispiel zur Reduktion durch Abgabe von Sauerstoff.

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Antwort

Zum Beispiel wenn ein rotes Quecksilberoxid in Quecksilber und und Sauerstoff gespalten wird.

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Frage

Erkläre, was passiert wenn du Kupfer(II)-oxid (CuO) in Wasserstoffstrom erhitzt.

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Antwort

  • entsteht

metallisches Kupfer (Cu)

  • Weil der Wasserstoff mit dem Sauerstoff des Kupfer(II)-oxid
    Wasser bildet
  • Es wird dem Kupfer(II)-oxid der Sauerstoff entzogen



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Frage

Was passiert wenn du Kupfer(II)-oxid zusammen mit Kohlenstoff (C) in einem Reagenzglas unter einem Gasbrenner erhitzt?

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Antwort

Du erhältst einmal Kupfer und einmal

Kohlenstoffdioxid

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Frage

Was passiert bei der Reduktion durch Aufnahme von Wasserstoff?

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Antwort

  • Es werden auch hier Elektronen aufgenommen
  • Es wird ein Proton, sowie ein Elektron aufgenommen
  • Da das Wasserstoff aber wenig elektronegativ geladen ist, zieht jedes andere Atom das Wasserstoffelektron zu sich hin, wenn es eine Verbindung mit “H” eingeht
  • eher eine Aufnahme von Elektronen als eine Aufnahme von Wasserstoff
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Frage

Nenne ein Beispiel zur Reduktion durch Aufnahme von Wasserstoff.

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Antwort

  • Acetaldehyd
  • nimmt Wasserstoff

    auf, sodass Ethanol entsteht

Frage anzeigen

Frage

Was ist die aktuelle Funktion einer Reduktion?

Antwort anzeigen

Antwort

Aufnahme von Elektronen oder auch die Verringerung der Oxidationszahl  

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Frage

Nenne ein Beispiel zur aktuellen Funktion einer Reduktion.

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Antwort

  • Wenn ein Eisennagel in eine Kupfersulfatlösung gestellt wird, bildet sich auf dem Nagel ein rotbrauner Belag von metallischem Kupfer
  • Weil die Eisenatome Elektronen

    an de Kupferionen abgeben

  • Das Kupfer wird dabei reduziert und das Eisen oxidiert

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Frage

Wie wird die Galvanische Zelle noch genannt?

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Antwort

galvanisches Element oder galvanische Kette

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Frage

Wo wird die Galvanische Zelle verwendet?

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Antwort

in Batterien und Akkumulatoren

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Frage

Was ist eine Charakteristik der Galvanischen Zelle?

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Antwort

die Teilspannung bzw. eingeprägte Spannung

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Frage

Welche Funktion hat eine Galvanische Zelle?

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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
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Frage

Wie wird der Stromkreis geschlossen?

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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?

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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
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Frage

Wann entsteht immer eine Galvanische Zelle?

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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.

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Antwort

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

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Frage

Wie entsteht aus Kupfer- und Silberelektroden ein

galvanisches Element?

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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

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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
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