Das Galvanische Element

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Das Galvanische Element
Max Mustermann
Gliederung
• Galvanische Element
• Die Funktionsweise
• Aufbau
• Anwendung
Galvanische Zelle
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Eine galvanische Zelle, galvanisches Element oder galvanische Kette ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von spontan
chemischer in elektrische Energie. Sie wird in Batterien und Akkumulatoren verwendet. Jede Kombination von zwei
verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten bezeichnet man als galvanisches Element. Sie dienen als
Gleichspannungsquellen. Der charakteristische Wert ist die Teilspannung/eingeprägte Spannung. Unter der Kapazität eines
galvanischen Elements versteht man das Produkt aus Entladungsstromstärke und -zeit.
Die Funktion der galvanischen Zelle 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, die
Spannung hängt von der Art des Metalls (Elektrochemische Spannungsreihe) und der Konzentration ab. Im Gegensatz zur
Elektrolyse, beispielsweise in der Galvanotechnik, kann in der galvanischen Zelle elektrische Energie gewonnen werden,
während die Elektrolyse elektrische Energie verbraucht. Die Anode ist in einer galvanischen Zelle negativ geladen, die
Kathode positiv, während bei der Elektrolyse die Kathode negativ und die Anode positiv geladen ist.
Der Name geht auf den italienischen Arzt Luigi Galvani zurück.
1936 wurden in der Nähe Bagdads Tongefäße aus dem 2. Jahrhundert v. Chr. gefunden, von denen vermutet wird, dass sie für
Vergoldungen verwendet worden sein könnten. Sie wurden unter dem Namen Bagdad-Batterie bekannt.
Immer, wenn zwei unterschiedliche Metalle in einer Elektrolytlösung sind, entsteht eine Spannung (galvanische Zelle).
Neben dem Daniell-Element (Kupfer/Zink) kann so z.B. auch aus Kupfer- und Silberelektroden ein galvanisches Element
erzeugt werden: Die Kupferelektrode taucht in Kupfersulfat-Lösung, die Silberelektrode in Silbernitratlösung, und
verbunden werden diese durch einen Draht (Elektronenleiter) mit Voltmeter und einem Ionenleiter.
An der Kupferelektrode gehen mehr Cu2+-Ionen in Lösung als sich Cu Ionen wieder abscheiden. Da das Kupfer Elektronen
an die Elektrode abgibt, wenn es in Lösung geht, lädt sich die Elektrode negativ auf (Kathode).--> Siehe Elektrode
An der Silberelektrode scheiden sich dagegen mehr Ag+-Ionen an der Elektrode ab als in Lösung gehen. Daher gibt es an
der Silberelektrode Elektronenmangel, sie lädt sich positiv auf (Anode).
Werden die zwei Elektroden elektrisch leitend verbunden, so entsteht zwar eine Spannung, aber es fließt noch kein Strom.
Der Grund dafür ist, dass in der Kupferelektrode ein Überschuss an Cu2+-Ionen entsteht und die Lösung sich stark positiv
auflädt. Also gehen nur noch so viele Kupferionen in Lösung, wie sich gleichzeitig an der Elektrode wieder abscheiden.
Ähnliches passiert mit der Silbernitratlösung, nur dass sich hier die Lösung 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 drei Elektronen aufnehmen).
Silbernitratlösung: c[NO3-] >> c[Ag+]
Kupfersulfatlösung: c[SO42-] << c[Cu2+]
Deswegen sind die Elektrodenräume über eine Salzbrücke miteinander verbunden, welche notwendig ist um den
Stromkreis zu schließen. Die Salzbrücke 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 Anionenaustausch um so der
Aufladung der einzelnen Zellen entgegen zu wirken. Eine andere Möglichkeit die Elektrodenräume voneinander zu trennen
besteht in einer semipermeablen (halbdurchlässigen) Membran welche ebenfalls einen Ladungsausgleich ermöglicht.
Es gibt auch Galvanische Zellen mit zwei gleichen Halbzellen, die sich in ihrer Konzentration unterscheiden, diese nennt
man Konzentrationselement.
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