Wiederholung: Eine galvanische Zelle ist eine Kombination aus zwei Elektroden (bzw. Halbzellen), beispielsweise beim Daniell-Element: Zink/Zinksulfat-Elektrode und Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode. Verbindet man die beiden Elektronen mit einem elektrischen Leiter, so entsteht eine Potentialdifferenz (Spannung), aufgrund des unterschiedlichen Bestrebens der beiden Metalle, Elektronen abzugeben. Wie im vorherigen Kapitel beschrieben, ist das Potential von dem verwendeten Stoff und von der Konzentration der Elektrolytlösung abhängig.
Kombiniert man beide Elektronen mit einem elektrischen Leiter und sorgt mit einer Strombrücke für den Ladungsausgleich zwischen beiden Halbzellen, so fließen Elektronen von der Anode über den elektrischen Leiter zur Kathode. Für den Stromtransport ist die elektrochemische Potentialdifferenz zwischen beiden Halbzellen verantwortlich. Diese Potentialdifferenz lässt sich als Spannung mit einem Spannungsmessgerät bestimmen. Das Potential einer einzelnen Elektrode kann nicht gemessen werden, sondern nun in Relation zu einer anderen Elektrode (Bezugselektrode)
In diesem Kapitel wollen wir aber nicht die Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden messen, sondern berechnen. Dazu müssen wir zwei Fälle unterscheiden:
1. Unsere galvanische Zelle wird bei irgendeiner Temperatur betrieben, die Konzentration der Elektrolytlösungen in den einzelnen Halbzellen entspricht nicht der Konzentration 1 mol/L. Dann müssen wir die Potentialdifferenz der beiden Elektroden mit Hilfe der Nernst´schen Gleichung berechnen (siehe nächstes Kapitel).
2. Unser galvanische Zelle wird bei Standardbedingen betrieben, das heißt, die “Reaktionstemperatur” beträgt 298,15 bzw. 293,15 K, die Konzentration der beiden Elektrolytlösungen jeweils 1 mol/L (bei Gasen beträgt der Partialdruck 1 bar). Dann können wir die Werte für die Potentiale der einzelnen Elektroden (bei Metallen: Redoxpaaren) auch aus der sogenannten elektrochemischen Spannungsreihe entnehmen.
Wir wollen nun einmal die Potentialdifferenz des Daniell-Elements bestimmen, dies unter Standardbedingungen. Liegen Standardbedingungen vor, bezeichnet man das Potential auch als Normalpotential (alter Begriff) oder Standardelektrodenpotential. Hierzu können wir es uns “unnötig” kompliziert machen und uns überlegen, in welcher Halbzelle die Reduktion und in welcher Halbzelle die Oxidation abläuft. Die Formel zur Berechnung der Potentialdifferenz lautet (nämlich):
An der Anode findet die Oxidation und an der Kathode die Reduktion statt. Da wir aber unter Standardbedingungen “rechnen” und die elektrochemische Spannungsreihe verwenden, können wir folgenden “Trick” anwenden. Zwischen Oxidation / Reduktion und edel / unedel besteht ein Zusammenhang (siehe entsprechendes Kapitel). Daraus folgt die einfache Formel zur Berechnung der Potentialdifferenz einer galvanischen Zelle unter Standardbedingungen:
Berechnen wir nun die Potentialdifferenz des Daniell-Elements unter Standardbedingungen. Dazu verwenden wir die elektrochemische Spannungsreihe und entnehmen folgende Werte:
Kupferelektrode: E0 = + 0,34 V
Zinkelektrode: E0 = – 0,76 V
Ohne zu wissen, wo nun die Oxidation und Reduktion stattfindet, können wir sofort sagen, dass die Kupferelektrode die Kathode ist und die Zinkelektrode die Anode ist.
Setzen wir die Werte nun in die Gleichung ein: ∆E0=E0(Kathode) – E0(Anode) = (+ 0,34 V) – (- 0,76 V) = 1,1 V
Dieser Wert deckt sich auch mit dem Literaturwert und zeigt uns, wie einfach Berechnung der Zellspannung bei einer galvanischen Zelle unter Standardbedingung ist.
Eine galvanische Zelle ist ein elektrochemisches System, das chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Sie besteht aus zwei Halbzellen, die miteinander verbunden sind und in denen Redoxreaktionen stattfinden.
Die Zellspannung, auch bekannt als Elektrodenpotential, ist die Differenz im elektrischen Potential zwischen zwei Halbzellen in einer galvanischen Zelle. Sie wird in Volt gemessen.
Die Zellspannung einer galvanischen Zelle berechnet sich als Differenz der Redoxpotentiale von Kathode und Anode: E(Zelle) = E(Kathode) – E(Anode).
Redoxreaktionen sind chemische Reaktionen, bei denen ein Stoff Elektronen abgibt (Oxidation) und ein anderer Stoff diese Elektronen aufnimmt (Reduktion).
Die Zellspannung ist ein Maß für die Fähigkeit einer galvanischen Zelle, eine Redoxreaktion durchzuführen. Eine höhere Zellspannung bedeutet, dass die Zelle eine stärkere Tendenz hat, die Reaktion durchzuführen.
Das Nernstsche Gesetz gibt einen Zusammenhang zwischen der Zellspannung einer galvanischen Zelle und der Konzentration der beteiligten Ionen an.
Nach dem Nernstschen Gesetz verringert sich die Zellspannung, wenn die Konzentration der Oxidationsprodukte erhöht oder die der Reduktionsprodukte verringert wird.
An der Anode findet die Oxidation statt. Hier werden Elektronen freigesetzt, die dann über einen externen Leiter zur Kathode fließen.
An der Kathode findet die Reduktion statt. Die hier ankommenden Elektronen werden von den Ionen aufgenommen, wodurch ein Reduktionsprodukt entsteht.
Ein Salzsteg ist eine poröse oder gelgefüllte Brücke, die die beiden Halbzellen einer galvanischen Zelle verbindet. Er ermöglicht den Ionenaustausch und sorgt so dafür, dass die elektrische Ladung in der Zelle erhalten bleibt, ohne die chemischen Reaktionen zu beeinflussen.