Galvanische Zelle
Eine galvanische Zelle oder galvanisches Element 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 Redox-Reaktion. Die Reduktion läuft räumlich getrennt von der Oxidation 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 elektrolytischen Zelle kann in der galvanischen Zelle Energie gewonnen werden, während die Elektrolyse Energie verbraucht. Die Anode ist in einer galvanischen Zelle negativ geladen, die Kathode positiv.
Der Name geht auf den italienischen Arzt Luigi Galvani zurück.
Eine galvanische Zelle oder galvanisches Element 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 Redox-Reaktion. Die Reduktion läuft räumlich getrennt von der Oxidation 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 elektrolytischen Zelle kann in der galvanischen Zelle Energie gewonnen werden, während die Elektrolyse Energie verbraucht. Die Anode ist in einer galvanischen Zelle negativ geladen, die Kathode positiv.
Der Name geht auf den italienischen Arzt Luigi Galvani zurück.
Beispiele
Eine Galvanische Zelle wird auch Batterie genannt, was dasselbe ist wie eine Primärelement. Kupferelektrode in Kupfersulfat-Lösung und Zinkelektrode in Zinksulfatlösung, verbunden durch einen Draht (Elektronenleiter) mit Voltmeter und einen Ionenleiter.
An der Zinkelektrode gehen mehr Zn2+-Ionen in Lösung als sich Zn Ionen wieder abscheiden. Da das Zink Elektronen an die Elektrode abgibt, wenn es in Lösung geht, lädt sich die Elektrode negativ auf.
An der Kupferelektrode scheiden sich dagegen mehr Cu2+-Ionen an der Elektrode ab als in Lösung gehen. Da die Cu2+-Ionen zum Abscheiden zwei Elektronen verbrauchen, gibt es an der Kupferelektrode Elektronenmangel, sie lädt sich positiv auf.
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 Zinksulfatlösung ein Überschuss an Zn2+-Ionen entsteht und die Lösung sich stark positiv auflädt. Also gehen nur noch so viele Zinkionen in Lösung, wie sich gleichzeitig an der Elektrode wieder abscheiden. Ähnliches passiert mit der Kupfersulfatlösung, nur dass sich hier die Lösung negativ auflädt.
Kupfersulfatlösung: c[SO42-] >> c[Cu2+]
Zinksulfatlösung: c[SO42-] << c[Zn2+]
Deswegen werden die Lösungen mit einer Ionenbrücke verbunden. So können die Zn2+ Ionen in die Kupferlösung und die SO42--Ionen in die Zinklösung wandern. Es findet ein Ladungsausgleich zwischen den zwei Lösungen statt und der Strom kann fließen. Speziell diese Galvanische Zelle nennt man Daniell-Element.
Es gibt auch Galvanische Zellen mit zwei gleichen Halbzellen, die sich in ihrer Konzentration unterscheiden, diese nennt man Konzentrations-Element.