Galvanische Zelle

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Versuchsanordnung des Froschschenkel-Experiments, aus dem De viribus electricitatis in motu musculari

Eine galvanische Zelle [galˈvaːnɪʃə t͡sɛlə], galvanisches Element oder galvanische Kette ist eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Jede Kombination von zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten bezeichnet man als galvanisches Element, und sie dienen als Gleichspannungsquellen. Der charakteristische Wert ist die eingeprägte Spannung. Unter der Kapazität eines galvanischen Elements versteht man das Produkt aus Entladungsstromstärke mal Zeit.

Der Name geht auf den italienischen Arzt Luigi Galvani zurück. Er entdeckte, dass ein mit Instrumenten aus verschiedenartigen Metallen berührter Froschschenkel-Nerv Muskelzuckungen auslöst, da das so gebildete Redox-System als galvanisches Element Spannung aufbaut, so dass Strom fließt.

Allgemeines[Bearbeiten]

Zeichensymbol einer galvanischen Zelle mit Polbeschriftung
Prinzip einer galvanischen Zelle

Galvanische Zellen werden systematisch in drei Gruppen unterteilt:

  • Primärzellen, umgangssprachlich auch als Batterie bezeichnet. Kennzeichnend ist, dass nach Zusammenfügen die Zelle aufgeladen ist und einmalig entladen werden kann. Die Entladung ist irreversibel und die Primärzelle kann elektrisch nicht mehr aufgeladen werden.
  • Sekundärzellen, umgangssprachlich auch als Akkumulator oder kurz Akku bezeichnet. Nach einer Entladung können Sekundärzellen durch eine gegenüber der Entladung gegenläufigen Stromrichtung wieder neu aufgeladen werden. Die chemischen Prozesse in der Zelle laufen, limitiert durch die Zyklenanzahl, reversibel ab. Die Energiedichte von Sekundärzellen ist im Vergleich zu Primärzellen bei identischer Temperatur geringer.
  • Brennstoffzellen, auch als Tertiärzellen bezeichnet. Bei diesen galvanischen Zellen wird der chemische Energieträger nicht in der Zelle gespeichert, sondern von extern kontinuierlich zur Verfügung gestellt. Die externe Zuführung ermöglicht einen kontinuierlichen und im Prinzip zeitlich unbeschränkten Betrieb.[1]

Die Funktion der galvanischen Zellen beruht auf einer Redoxreaktion. Reduktion und Oxidation laufen räumlich getrennt in je einer Halbzelle (Halbelement) ab. Durch Verbinden der beiden Halbzellen mit einem Elektronenleiter und einem Ionenleiter wird der Stromkreis geschlossen. Die Spannung des elektrischen Stroms lässt sich durch die Nernst-Gleichung berechnen. Sie hängt von der Art des Metalls (elektrochemische Spannungsreihe), der Konzentration in der Lösung der jeweiligen Halbzelle sowie der Temperatur ab. Im Gegensatz zur Elektrolyse, beispielsweise in der Galvanotechnik, kann in der galvanischen Zelle elektrische Energie gewonnen werden, während die Elektrolyse elektrische Energie benötigt. Bei Primär- und Tertiärzellen ist der Minuspol immer die Anode (= Pol, an dem die Oxidation stattfindet), der Pluspol immer die Kathode (= Pol, an dem die Reduktion stattfindet), bei Sekundärzellen gilt dies nur für den Entladevorgang. Beim Laden von Sekundärzellen (Akkumulatoren) ist es umgekehrt, d.h. der Pluspol ist Anode (= Pol, an dem die Oxidation stattfindet), der Minuspol Kathode (= Pol, an dem die Reduktion stattfindet). Bei allen Arten von Zellen wird in der Literatur im Allgemeinen Anode mit Minuspol und Kathode mit Pluspol gleichgesetzt, obwohl dies bei Akkus (Sekundärzellen) nur für das Entladen gilt, nicht jedoch für das Laden, was Lernenden Verständnisschwierigkeiten bereiten kann. Eine galvanische Zelle liefert so lange eine Spannung, bis das elektrochemische Gleichgewicht erreicht wird.

Beispiele[Bearbeiten]

Das Daniell-Element – eine Galvanische Zelle

Immer, wenn sich zwei unterschiedliche Metalle in einer Elektrolytlösung befinden, entsteht eine Spannung (galvanische Zelle). Dies ist auf die jeweilige Tendenz der Metalle, in Lösung zu gehen und dabei Ionen zu bilden, die so genannte Lösungstension, zurückzuführen. Neben dem Daniell-Element (Kupfer/Zink) kann so beispielsweise auch aus Kupfer- und Silberelektroden ein galvanisches Element erzeugt werden: Die Kupferelektrode taucht in eine Kupfersulfat-Lösung, die Silberelektrode in Silbernitratlösung, und verbunden werden diese durch einen Draht (Elektronenleiter) mit Voltmeter und einen Ionenleiter.

Wenn jedoch beide Elektroden über einen elektrischen Leiter miteinander verbunden werden, sorgt die unterschiedliche Lösungstension der Elektroden dafür, dass die Reaktion weiterlaufen kann. Da das Redoxpotential von Kupfer (Reduktionsmittel) niedriger ist als das von Silber (Oxidationsmittel), gehen an der Kupferelektrode mehr Ionen in Lösung als an der Silberelektrode. Daher ist die negative Ladung in der Kupferelektrode höher als die in der Silberelektrode, es entsteht also eine Spannung, bei der die Elektronen zur Silberelektrode hin „gedrückt“ werden. Das führt dazu, dass die Lösung der Silberatome gestoppt wird, stattdessen reagieren die überschüssigen Elektronen mit den Ag+-Ionen der Silbernitratlösung und sorgen dafür, dass sich diese als normale Silberatome an der Silberelektrode festsetzen.

An der Silberelektrode werden also Silberionen zu elementarem Silber reduziert:

 {\rm 2Ag^{+} + 2e^- \longrightarrow 2Ag }

Die Silberelektrode ist damit die Kathode (Elektrode, an der die Reduktion stattfindet) und der Pluspol der galvanischen Zelle (da hier ein Elektronenmangel entsteht).

An der Kupferelektrode findet hingegen folgende Oxidation statt:

 {\rm Cu \longrightarrow Cu^{2+} + 2e^- }

Die Kupferelektrode ist die Anode (Elektrode, an der die Oxidation stattfindet) und der Minuspol der galvanischen Zelle (da hier ein Elektronenüberschuss entsteht).

In der galvanischen Zelle läuft also eine Redoxreaktion ab, deren Reaktionsteile jedoch räumlich voneinander getrennt sind.

Werden die zwei Elektroden nun also elektrisch leitend verbunden, so entsteht zwar eine Spannung, aber es fließt noch kein Strom. Der Grund dafür ist, dass in der Kupfersulfatlösung ein Überschuss an Cu2+-Ionen entsteht und die Lösung sich stark positiv auflädt, was verhindert, dass sich weitere Kupferatome lösen können.

Ähnliches passiert mit der Silbernitratlösung, welche sich negativ auflädt, da vom neutralen Silbernitrat nur die negativ geladenen Nitrat-Ionen übrig bleiben (während sich die positiven Silberionen an die Silberelektrode anlagern, indem sie dort jeweils ein Elektron aufnehmen).

Silbernitratlösung: c[NO3 ] >> c[Ag+ ]

Kupfersulfatlösung: c[SO42− ] << c[Cu2+ ]

Deswegen sind die Elektrodenräume über eine Ionenbrücke (Salzbrücke) miteinander verbunden, welche notwendig ist, um den Stromkreis zu schließen. Die Ionenbrücke ist häufig ein U-Rohr, das mit einem Elektrolyten gefüllt ist und dessen Enden mit einer Membran oder einem Diaphragma versehen sind. Über die Salzbrücke erfolgt der Ionenaustausch, um so der Aufladung der einzelnen Zellen entgegenzuwirken. Eine andere Möglichkeit, die Elektrodenräume voneinander zu trennen, besteht in einer selektivpermeablen (ausgewählt durchlässigen) Membran, welche ebenfalls einen Ladungsausgleich ermöglicht. Über die Ionenbrücke wandern also die Salzionen (in diesem Fall Nitrationen) von der Kathode zur Anode, also von der Silberhalbzelle zur Kupferhalbzelle.

Es gibt auch galvanische Zellen mit zwei gleichen Halbzellen, die sich in ihrer Konzentration unterscheiden, diese nennt man Konzentrationselement.

Der Deflagrator ist ebenfalls eine Galvanische Zelle.

Verkürzte Schreibweise[Bearbeiten]

Eine galvanische Zelle wird auch manchmal in verkürzter Schreibweise beschrieben. Das oben grafisch dargestellte Daniell-Element sähe in dieser Schreibweise folgendermaßen aus:

\mathrm{Zn|Zn^{2+}\left(1\frac{mol}{l}\right)||Cu^{2+}\left(1\frac{mol}{l}\right)|Cu}

Beide Halbzellen werden in einer galvanischen Zelle durch ein Diaphragma, also eine dünne, halbdurchlässige Membran (semipermeable Membran) getrennt. Durch diese Membran werden fast ausschließlich die negativ geladenen Anionen hindurchgelassen. Im Falle des Daniell-Elements sind das SO42−-Ionen (Sulfationen), welche in den Salzlösungen beider Halbzellen vorhanden sind.

Dieses Diaphragma wird in der verkürzten Schreibweise durch den doppelten senkrechten Strich || dargestellt. Rechts und links von diesem doppelten Strich werden die beiden Halbzellen der galvanischen Zelle und die darin stattfindenden Reaktionen verkürzt dargestellt. Zudem wird die Konzentration der Metallsalzlösung, also die Konzentration der gelösten Metalle in beiden Halbzellen angegeben. Die Anodenhalbzelle steht üblicherweise links.[2]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Michael Buchholz: Subspace-Identification zur Modellierung von PEM-Brennstoffzellen-Stacks. KIT Scientific Publishing, 2010, ISBN 978-3-86644477-5, S. 109.
  2. Elemente Chemie II - Gesamtband, ISBN 3-12-756700-6, S. 157.