Im vorherigen Kapitel wurde der (einfache) Aufbau von galvanischen Zellen erklärt. Im Prinzip besteht eine galvanische Zelle aus zwei getrennten Elektronenräumen, die (elektrisch) leitend miteinander verbunden sind und eine sogenannte Salzbrücke für den Ionen- bzw. Ladungsausgleich zwischen beiden Elektrodenräumen sorgt.
Das einfachste Modell einer (modernen) galvanischen Zelle ist das sogenannte Daniell-Element, dass im 19.Jdh. von dem Forscher Frederic Daniell entwickelt wurde.
Das Daniell-Element besteht aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle und ist daher (im Rahmen des Unterrichts) auch sehr gut für didaktische Zwecke gedacht. Das Daniell-Element lässt sich einfach nachbauen, indem man ein Kupferblech, in eine wässrige Lösung eines Kupfer(II)sulfat taucht (kann auch ein anderes Kupfersalz sein (hiermit haben wir die Kupferhalbzelle). Diese Halbzelle kann auch in Form eines einfachen Becherglases sein, in dem sich die Elektrode befindet. Die zweite Halbzelle (Zink-Halbzelle) wird durch ein Zinkblech aufbaut, das in die wässrige Lösung eines Zinksalzes taucht. Damit sich eine Potentialdifferenz zwischen beiden Halbzellen aufbauen kann, müssen diese noch leitend miteinander verbunden werden. Dies kann man z.B. mit einem einfachen Kabel erreichen, dass man (mit den beiden Enden) jeweils an eine Elektrode befestigt. Damit wir auch noch einen Stromfluss haben (und nicht nur eine Potentialdifferenz) müssen beide Elektrolytlösungen in den Elektrodenräumen (z.B. Becherglas) miteinander verbunden werden. Solch eine Verbindung (als Salzbrücke bezeichnet) wird in der Regel mit einem U-Rohr erreicht, dass beide Halbräume verbinden. Einfacher geht es auch mit einem Papierstreifen (das in verdünnte Schwefelsäure getaucht wurde) und die beiden Enden des Streifens jeweils in eine Elektrolytlösung tauchen. Nun sind beide Elektronenräume miteinander verbunden.
Die Funktionsweise eines Daniell-Elements lässt sich mit der elektrochemischen Spannungsreihe herleiten. Das Redoxpaar (Zink/Zinksulfat) hat ein negativeres Potential als Kupfer. Damit hat das unedlere Zink (negativeres Potential) ein höheres Bestreben, seine (Valenz-) Elektronen abzugeben als das (im Vergleich) edlere Kupfer. Durch diesen unterschiedlichen Elektronendurck/Lösungsbestreben entsteht aufgrund der unterschiedlichen „Ladungsverteilung“ eine Potentialdifferenz („Ladungen“ führen zu einem elektrischen Feld, dass ein Poential (= Spannung) aufbau). Kombiniert man beide Halbzellen, kann man diese Potentialdifferen als Spannung zwischen den Halbzellen messen.
Da das Zink unedler als Kupfer ist, gibt das Zink Elektronen ab (die Elektronen verbleiben auf dem Zinkblech, der Elektronenüberschuss führt dazu, dass das Zinkblech der Minuspol ist), wobei die Zinkionen in Lösung gehen. Da beim Daniell-Element die beiden Halbzellen räumlich getrennt sind, müssen die Elektronen durch das Kabel vom Zinkblech zum Kupfer fließen. Dadurch „entlädt“ sich das Zinkblech (so dass das Zink weiter Elektronen abgeben kann). Durch die übertragenen Elektronen ist nun das Kupferblech mit negativen Elektronen „aufgeladen“. Die Kupferionen aus der Kupfersulfatlösung (der Kupferhalbzelle) treten daher mit dem Kupferblech in Wechselwirkung (positiv und negativ geladene Teilchen ziehen sich an). Die Kupferionen werden so von der Kupfersulfatlösung auf das Kupferblech übertragen, nehmen dort die Elektronen auf, wodurch das negative geladene Kupferblech „entladen“ wird. Bei dieser Elektrodenreaktion bildet sich (durch die Reduktion der Kupferionen) auf dem Kupferblech elementares Kupfer. Durch die Entladung des Kupferbleches kann dies wieder Elektronen von dem Zinkblech aufnehmen. Dieser Prozess kann solange ablaufen, bis kein Zinkblech mehr vorhanden ist.
Somit lauten die beiden Redoxreaktion in den beiden Halbzellen bzw. Elektrodenräumen:
Kathode: Cu2+(aq) + 2e– => Cu(s) Reduktion
Anode: Zn(s) => Zn2+(aq) + 2 e– Oxidation
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Gesamt: Zn(s) + Cu2+(aq) => Zn2+(aq) + Cu(s) Redoxreaktion
Zwischen den beiden Halbzellen findet noch ein Ionenaustausch statt. In der Zink-Halbzelle gehen durch die Oxidation des Zinks Zinkionen in Lösung, daher wird diese Lösung „positiv“ aufgeladen. In der Kupfer-Halbzelle werden hingegen Kupferionen aus der Kupfersulfatlösung (am Kupferblech) reduziert. Daher lädt sich diese Elekrolytlösung negativ auf. Nun kommt die Funktion der Salzbrücke. Zwischen den beiden Halbzellen werden die Sulfationen „ausgetauscht“, so dass auch hier ein Ladungsausgleich stattfindet. Es wandern in diesem Fall des Daniell-Elements Sulfationen von der Kupfer-Halbzelle zur Zink-Halbzelle.
Oft kommt die Frage auf, was der Unterschied zwischen dem Daniell-Element und dem Volta-Element ist, schließlich wird in beiden galvanischen Zellen Kupferblech und Zinkblech als Ausgangsmaterialien verwendet.
Der Unterschied ist liegt im Aufbau, der Unterschied liegt in der räumlichen Trennung der beiden Halbzellen. Bei einem Daniell-Element sind die Zink- und Kupfer-Halbzellen in unterschiedlichen Elektrodenräumen mit unterschiedlichen Elektrolytlösungen (die Zinkelektrode taucht dabei in eine Zinksulfatlösung und die Kupferelektrode in eine Kupfersulfatlösung) voneinander getrennt. Beide Elektrodenräume werden nur durch eine Salzbrücke miteinander verbunden. Beim Volta-Element tauchen die Kupfer- und Zinkbleche in einen gemeinsamen Elektrolyten (in der Regel verdünnte Schwefelsäure). Die beiden Halbzellen sind im Gegensatz zum Daniell-Element nicht getrennt. Folgende Reaktionen finden statt.
Oxidation (Minuspol): Zn(s) –> Zn²⁺(aq) + 2 e⁻
Reduktion (Pluspol): 2 H₃O⁺(aq) + 2 e⁻ –> H₂(g) + 2 H₂O(l)
Kupfer ist edler als Zink, daher hat das Zink ein höheres Bestreben, Elektronen abzugeben. Daher wird ein Zinkblech im Volta-Element oxidiert
Anode: Zn(s) => Zn2+(aq) + 2 e– Oxidation
Nun stellt sich die Frage, was nun im Volta-Element reduziert wird. In diesem Fall ist die Antwort einfach, da nur eine (oxidierte) Form eines ELements vorhanden ist, dass reduziert werden kann, nämlich H₃O⁺ bzw. H⁺
Kathode: H⁺(aq) + 2 e- => H₂(g) Reduktion
Die Gesamtreaktion beim Volta-Element kann man sich als Reaktion eines unedlen Metalls mit einer Säure vorstellen, die mit Hilfe eines Katalysators (Kupfer) abläuft.