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.

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Die galvanische Zelle bzw. das galvanische Element – Testfragen/-aufgaben

1. Was genau ist eine galvanische Zelle?

Eine galvanische Zelle, auch als galvanisches Element bezeichnet, ist ein System, das chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Dies geschieht durch eine Redoxreaktion, bei der Elektronen von einem Stoff (dem Reduktionsmittel) auf einen anderen (das Oxidationsmittel) übertragen werden.

2. Welche Hauptkomponenten sind in einer galvanischen Zelle enthalten?

Eine galvanische Zelle besteht hauptsächlich aus zwei Elektroden (eine Anode und eine Kathode) und der Elektrolytlösung. Die Elektroden sind in verschiedene Elektrolytlösungen getaucht, die miteinander durch eine Salzbrücke verbunden sind.

3. Was ist der Unterschied zwischen Anode und Kathode in einer galvanischen Zelle?

Die Anode ist die Elektrode, an der die Oxidation (Elektronenabgabe) stattfindet, während die Kathode die Elektrode ist, an der die Reduktion (Elektronenaufnahme) stattfindet.

4. Was ist die Funktion der Salzbrücke in einer galvanischen Zelle?

Die Salzbrücke dient dazu, den elektrischen Kreislauf zu schließen und die Ladungsverschiebung auszugleichen, indem sie Ionen zwischen den Halbzellen bewegt.

5. Wie wird der Strom in einer galvanischen Zelle erzeugt?

Die chemische Reaktion in der Zelle führt dazu, dass Elektronen von der Anode zur Kathode fließen und dabei Strom erzeugen.

6. Kann eine galvanische Zelle wiederaufladbar sein?

Ja, einige Arten von galvanischen Zellen, wie zum Beispiel viele Batterietypen (z.B. Bleiakkumulatoren oder Lithiumionen-Akkus), können wieder aufgeladen und mehrmals verwendet werden.

7. Warum ändern sich die Massen der Anode und Kathode in einer galvanischen Zelle während des Betriebs?

Bei der Oxidation an der Anode lösen sich Metallatome und bilden positiv geladene Ionen, die in die Lösung übergehen, wodurch die Masse der Anode abnimmt. Umgekehrt nimmt an der Kathode die Masse zu, da dort die Reduktion stattfindet und die Ionen aus der Lösung zu Atomen werden und sich an der Kathode ablagern.

8. Was ist die Zellspannung und was bestimmt ihre Größe?

Die Zellspannung, oft auch als elektromotorische Kraft (EMK) bezeichnet, ist die elektrische Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode. Ihre Größe wird von der Art der verwendeten Materialien und der Temperatur bestimmt.

9. Was passiert, wenn eine galvanische Zelle vollständig entladen ist?

Wenn eine galvanische Zelle vollständig entladen ist, ist die Redoxreaktion abgeschlossen. Alle Reduktionsmittel wurden oxidiert und alle Oxidationsmittel wurden reduziert, so dass keine weiteren Elektronen zum Transfer zur Verfügung stehen und die Zelle daher keinen Strom mehr erzeugen kann.

10. Was sind Anwendungsbeispiele für galvanische Zellen?

Die verschiedenen Arten von galvanischen Zellen werden in vielen Alltagsprodukten verwendet, darunter in Form von Batterien in Autos, Mobiltelefonen, Laptop-Computern und vielen weiteren elektronischen Geräten.