Galvanische Zellen und Spannungsreihe
Du verstehst den Aufbau galvanischer Zellen wie des Daniell-Elements, nutzt Standardpotenziale zur Berechnung der Zellspannung und lernst Batterien und Akkus kennen.
Die Grundlagen
In einer galvanischen Zelle wird die Energie einer freiwillig ablaufenden Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Batterien und Akkus beruhen auf diesem Prinzip. Benannt ist sie nach Luigi Galvani, entscheidend weiterentwickelt hat sie Alessandro Volta.
Das Daniell-Element
Zwei Halbzellen werden kombiniert:
- ein Zinkblech in Zinksulfatlösung (Zn/Zn²⁺)
- ein Kupferblech in Kupfersulfatlösung (Cu/Cu²⁺)
Die Lösungen sind durch eine poröse Wand oder eine Salzbrücke getrennt, die den Ionenaustausch ermöglicht, aber eine Vermischung verhindert. Die Bleche werden über einen Draht verbunden.
Was passiert?
- Anode (Minuspol): Zink ist unedler und gibt Elektronen ab: Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻ (Oxidation)
- Die Elektronen fließen durch den Draht zum Kupfer.
- Kathode (Pluspol): Kupfer-Ionen nehmen Elektronen auf: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu (Reduktion)
Merke: An der Anode findet immer die Oxidation statt, an der Kathode die Reduktion. Das gilt auch bei der Elektrolyse.
Standardpotenziale
Wie stark eine Halbzelle Elektronen abgibt, misst man gegen die Standard-Wasserstoffelektrode (Potenzial 0 V) bei 25 °C, 1 mol/L und 1 013 hPa. Einige Standardpotenziale E°:
| Halbzelle | E° in V |
|---|---|
| Li/Li⁺ | −3,04 |
| Mg/Mg²⁺ | −2,37 |
| Zn/Zn²⁺ | −0,76 |
| Fe/Fe²⁺ | −0,44 |
| H₂/2 H⁺ | 0,00 |
| Cu/Cu²⁺ | +0,34 |
| Ag/Ag⁺ | +0,80 |
| Au/Au³⁺ | +1,50 |
Diese Anordnung heißt elektrochemische Spannungsreihe. Je negativer E°, desto unedler das Metall und desto leichter wird es oxidiert.
Zellspannung
ΔE = E°(Kathode) − E°(Anode) = E°(Pluspol) − E°(Minuspol)
Für das Daniell-Element: ΔE = +0,34 V − (−0,76 V) = 1,10 V.
Batterien und Akkus
- Batterien (Primärzellen) lassen sich nicht wieder aufladen, zum Beispiel Alkali-Mangan-Zellen.
- Akkumulatoren (Sekundärzellen) sind wiederaufladbar: Beim Laden wird die Redoxreaktion durch eine äußere Spannung umgekehrt. Beispiele sind der Bleiakku im Auto und der Lithium-Ionen-Akku in Smartphones und Elektroautos.
Merksatz
Galvanische Zelle: Anode (Minuspol) = Oxidation des unedleren Metalls, Kathode (Pluspol) = Reduktion. Zellspannung ΔE = E°(Pluspol) − E°(Minuspol). Daniell-Element: 1,10 V.
Beispiele
Beispiel 1
- Magnesium ist unedler (−2,37 V): Minuspol, Anode
- Silber ist edler (+0,80 V): Pluspol, Kathode
- ΔE = 0,80 V − (−2,37 V)
Ergebnis ΔE = 3,17 V
Beispiel 2
- Anode: Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻
- Kathode: Ag⁺ + e⁻ → Ag, mal 2: 2 Ag⁺ + 2 e⁻ → 2 Ag
Ergebnis Gesamt: Zn + 2 Ag⁺ → Zn²⁺ + 2 Ag, ΔE = 0,80 − (−0,76) = 1,56 V
Aufgaben zum Üben
Welche Spannung liefert eine Zink-Eisen-Zelle?
Lösung anzeigen
ΔE = −0,44 − (−0,76) = 0,32 V, Eisen ist der Pluspol.
An welcher Elektrode findet die Oxidation statt?
Lösung anzeigen
An der Anode.
Wozu dient die Salzbrücke?
Lösung anzeigen
Sie ermöglicht den Ladungsausgleich durch Ionenwanderung und schließt den Stromkreis.
Fehler, die Punkte kosten
Die Anode wird immer als Pluspol bezeichnet.
In der galvanischen Zelle ist die Anode der Minuspol. Entscheidend ist: Anode = Oxidation.
Bei der Zellspannung wird der kleinere vom größeren Betrag abgezogen: 0,76 − 0,34 = 0,42 V.
Mit Vorzeichen rechnen: +0,34 − (−0,76) = 1,10 V.
Hinweis zur Klassenstufe
In welcher Klasse genau dieses Thema drankommt, unterscheidet sich zwischen den Ländern. Klasse 12 ist der häufigste Zeitpunkt.