Galvanische Zellen – Prinzip

Was sind galvanische Zellen

Im alltäglichen Gebrauch versteht man unter einer galvanischen Zelle, die Kombination zweier Halbzellen (bei Metallen: Redoxpaare), die sich in einer Elektrolytlösung befinden. Die Elektroden können dabei über einen gemeinsamen Elektrolyten, jeweils verschiedene Elektrolyte (jeweils einen pro Halbzelle) oder über eine Verbindung (Ionenleiter) mit einem weiteren Elektrolyten.

Aufgrund ihres Aufbaus sind galvanische Zellen (mobile) elektrische Gleichspannungsquellen. Sie „versorgen“ uns also mit elektrischer Energie. Ohne galvanische Zellen (Batterien, Akkus) könnte man sich ein alltägliches Leben nicht mehr vorstellen (z.B. zum Betrieb von Handys).

Die einfachste Kombination einer galvanischen Zelle ist, wenn zwei Metallstäbe in eine gemeinsame Elektrolytlösung tauchen. Eine einfache galvanische Zelle ist eine Kombination aus zwei Halbzellen, wobei jede Halbzelle aus einem Metall(stab) besteht, der in einer Metallsalzlösung des gleichen Metalls tauchen (z.B. Zinkstab in Zinksulfatlösung).

Prinzip einer galvanischen Zelle

Das Prinzip einer galvanischen Zelle beruht darauf, dass unterschiedliche Metalle unterschiedliche Tendenz haben, Elektronen abzugeben (Elektronendruck bzw. Lösungsbestreben). Das Potential(differenz) einer galvanischen Zelle ist um so größer, je unterschiedliche die einzelnen Elemente in ihrem Bestreben sind, Elektronen abzugeben bzw. aufzunehmen.

Würde man nun zwei Metallstäbe in eine Elektrolytlösung tauchen, bildet sich ein Potential aus (elektrochemische Doppelschicht). Es stellt sich bald ein Gleichgewicht zwischen den beiden Phasen der Elektrode ein (Metallstab / Elektrolytlösung). Der Metallstab gibt Metallionen an die Elektrolytlösung ab, die Elektronen bleiben auf dem Metallstab zurück. Von der (durch die Metallionen angereicherte) Elektrolytlösung werden wieder Metallionen auf den Metallstab übertragen und dort entladen (=> Gleichgewicht). Verbindet man nun beide Elektroden miteinander über einen elektrischen Leiter, so können die Elektronen von dem einem Metallstab auf den anderen Metallstab übertragen werden. Daher läuft diese Elekrodenreakion, bis sich die Elektrode aufgelöst hat (theoretisch zumindest) . Dies ist der Grund, warum bei einer galvanischen Zelle die einzelnen Halbzellen auch räumlich voneinander getrennt sind.

Nun sind in einer galvanischen Zelle die zwei Elektroden über einen elektrischen Leiter verbunden. Wir würden nun zwar eine Potentialdifferenz messen, aber nur kurzfristig einen Stromfluss. Erklärt wird das nun anhand einer Zink/Kupfer-Zelle. Eine Halbzelle besteht aus einem Zinkstab und einer Lösung von Zinksulfat, die andere Halbzelle aus einem Kupferstab in einer Lösung aus Kupfersulfatlösung. Beide Metallstäbe sind leitend miteinander verbunden. Da das Zink unedler ist als Kupfer, ist der Elektronendruck /Lösungsbestreben von Zink größer. Das bedeutet, dass die Anzahl der Zinkionen, in der Zink/Zinksulfat-Halbzelle größer ist , als die Anzahl der Kupferionen in der Kupfer/Kupfersulfatlösung.

Durch die steigende Konzentration an Zinkionen in der Zinksulfatlösung lädt sich diese Lösung stark positiv auflädt. Aufgrund der coulombschen Wechselwirkungen wird es daher immer schwieriger, dass weitere Zinkionen (vom Zinkstab unter Elektronenabgabe) in Lösung gehen (positiv geladene Teilchen stoßen sich ab). Daher verbindet man die einzelnen Halbzellen, die voneinander räumlich getrennt sind über eine sogenannte Salzbrücke (auch als Ionenbrücke bezeichnet). Es handelt sich hierbei um einen Elektrolyten, der beide Elektrodenräume miteinander verbindet. Diese Salzbrücke bewirkt, dass zwischen den beiden Elektrodenräumen ein Ionenaustausch erfolgt. Dadurch wird verhindert, dass in einem Elektrodenraum die Elektrolytlösung zu stark aufgeladen wird und die Reaktionen hemmt.

Kurz-Schreibweise einer galvanischen Zelle
Eine galvanische Zelle besteht aus zwei Halbzellen (zwei Elektrodenräumen), die über eine Salzbrücke oder eine Membran (Diaphragma) voneinander getrennt sind. In der Kurzschreibweise wird die Salzbrücke durch den doppelten senkrechten Strich II dargestellt. Rechts und links von diesem doppelten Strich werden die beiden Halbzellen der galvanischen Zelle in Klammern dargestellt. In der Regel wird die sogenanante Anodenhalbzelle üblicherweise links vom doppelten Strich geschrieben.

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. Dies liegt daran, dass die Redoxreaktionen irreversibel sind, da beim „Betrieb“ des galvanischen Elements die Stoffe verbraucht werden, die die elektrische Energie („Elektronen“) liefern. So löst sich beispielsweise beim Daniell-Element durch die Elektrodenreaktionen das Zink(metall) auf.
    • Sekundärzellen: auch als Akku bezeichnet. Die Zelle kann nach einer Entladung wieder neu aufgeladen werden. Die chemischen Prozesse in der Zelle laufen reversibel ab. Die „Redoxreaktionen“, die in den Elektrodenräumen beim Entladen ablaufen, lassen sich bei Zufuhr elektrischer Energie (=Laden der Zelle) umkehren, d.h. die Entladungs-Reaktion läuft nun in umgekehrter Richtung ab (= Elektrolyse)
  • 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 galvanische Zelle (Nernst-Gleichung). Die Elektrode mit der geringeren Konzentration besitzt das niedrigere Potential und ist somit der Minuspol der Zelle. Diese galvanische Zelle bezeichnet man auch als Konzentrationselement