Die galvanische Zelle bzw. das galvanische Element

Galvanische Zellen beruhen auf Redoxreaktionen, deren Anwendungsbereich auf der elektrochemischen Energiegewinnung liegt, dabei versteht man unter einer galvanischen Zelle bzw. Element eine Kombination zweier Halbzellen.

Prinzip

Immer, wenn sich zwei unterschiedliche Metalle (unterschiedliches Normalpotential) in einer Elektrolytlösung befinden und leitend miteinander verbunden sind, entsteht eine Spannung. Wie bereits oben erwähnt, handelt es sich dabei um eine Kombination zweier Halbzellen. Eine Halbzelle ist jeweils ein Metall (red. Form) in ihrer entsprechenden Metallsalzlösung, die als Elektrolyt dient. So ist beispielsweise eine Kupfer-Halbzelle ein metallisches Kupfer (red. Form), das in eine Kupfersalzlösung (ox. Form) taucht.
Aus zwei solcher Halbzellen lässt sich ein galvanisches Element aufbauen, indem man die beiden Halbzellen leitend miteinander verbindet. Die leitende Verbindung zwischen den beiden Halbzellen besteht aus einem Elektronenleiter (z.B. Metalldraht) und einem Ionenleiter der den Stromkreis durch die Ionenleitende Verbindung zwischen den Metallsalzlösungen schließt. Sobald beide Halbzellen leitend miteinander verbunden sind, beginnt die Reaktion, dabei gibt das Metall mit dem niedrigeren Normalpotential seine Elektronen an das Metallion mit dem höheren Normalpotential ab.

Vorteil

Da galvanische Zellen bzw. Elemente chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln, werden Wirkungsgrade von bis zu 90% erreicht.

Pole

Das Metall (Metallelektrode) mit dem niedrigeren Normalpotential (höherer Elektronendruck) stellt den Minuspol der galvanischen Zelle, die Metallelektrode mit dem positiveren Normalpotential stellt den Pluspol dar. 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

Arten von galvanischen Zellen:

• Primärzellen: auch als Batterien bezeichnet. Die Zelle kann einmalig entladen werden kann. Die Entladung ist irreversibel und kann elektrisch nicht mehr aufgeladen werden.
• Sekundärzellen: auch als Akku bezeichnet. Die Zelle kann nach einer Entladung können Sekundärzellen wieder neu aufgeladen werden. Die chemischen Prozesse in der Zelle laufen reversibel ab
• Tertiärzellen: Der chemische Energieträger wird in diesem Zelltyp nicht in der Zelle gespeichert, sondern von außerhalb der Zelle kontinuierlich zur Verfügung gestellt.

Anmerkung

Die Kombination zweier gleicher Metalle (gleiches Normalpotential) in der gleichen, aber unterschiedlich konzentrierten Ionenlösung ergibt ebenfalls ein galvanisches Element (Nernst-Gleichung). Die Elektrode mit der geringeren Konzentration besitzt das niedrigere Potential und ist somit der Minuspol der Zelle.