Allgemeine und Anorganische Chemie/ Elektrochemische Zellen

Daniell-Element

Ein Daniel-Element ist eine elektrische Stromquelle, welche ihre elektrische Energie aus chemischer Energie gewinnt. Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass verschiedene Metalle und Nichtmetalle eine unterschiedliche Fähigkeit besitzen, Elektronen abzugeben. Man nennt das Daniell-Element auch galvanische Zelle, galvanisches Element, Daniellsches Element oder auch galvanische Kette.

Aufbau und Funktionsweise eines Daniell-Elements

Das Daniell-Element besteht aus zwei Halbzellen oder Halbkammern, die entweder durch eine poröse Membran namens Diaphragma oder durch eine Salzbrücke aus Kaliumchloridlösung, verbunden sind. Dadurch wird verhindert, dass sich die Lösungen vermischen. Dennoch ist ein Ladungsausgleich durch Ionenwanderung möglich und der Stromkreis geschlossen.

In der einen Kammer der galvanischen Zelle befindet sich zB. eine Zinkelektrode, die in eine Zinksulfatlösung (ZnSO₄) eingetaucht ist und in der anderen Kammer befindet sich eine Kupferelektrode, die in einer Kupfersulfatlösung (CuSO₄) getaucht ist. Die beiden Elektroden sind mit einem elektrischen Leiter (Kabel) außerhalb der Kammern verbunden. Jetzt fließt ein Strom über das Kabel von der Zink-Halbzelle auch Donatorhalbzelle (–) zur Kupferhalbzelle, auch Akzeptorhalbzelle (+) genannt. Der Grund dafür ist, dass die eingetauchte Zinkelektrode in der Zinksulfatlösung einige ihrer Zink-Ionen in Lösung gehen lässt. Das heißt, dass sich Zink-Ionen von der Elektrode ablösen und in die Lösung übergehen. Die Elektronen verbleiben dabei in der Elektrode. Wegen des Elektronenüberschusses ist diese nun negativ geladen.

Während dieses Vorganges werden gleich viele Kupfer-Ionen aus der Lösung an die Kupferelektrode abgeschieden und an der Elektrode abgelagert, da hier Elektronen in dieser Elektrode ankommen und damit diese Ionen anziehen. Elektronen werden, trivial ausgedrückt, in der Zink-Elektrode „erzeugt“ und in der Kupfer-Elektrode „verbraucht“. Somit ist die Ladung an der Kupferelektrode geringer, als an der anderen. Somit entsteht das Spannungspotential und schließlich ein Strom.

Durch den Ladungsunterschied bei diesem Vorgang zwischen positiv geladenen Zink-Ionen in der Lösung und der negativ aufgeladenen Zinkelektrode in der Zink-Halbzelle bildet sich eine Doppelschicht. Die negative Schicht wird gebildet durch die Elektronen in der Zinkeletrode. Die positive Schicht wird durch die hydratisierten Zink-Ionen gebildet, die sich durch die elektrostatischen Anziehungskräfte an der Elektrodenoberfläche abgesetzt haben.

In der Kupferhalbzelle erfolgt ein vergleichbarer Vorgang, wobei dort weniger Kupferatome in Lösung gehen und somit die Tendenz des Kupfers, Elektronen abzugeben und als Ion in Lösung zu gehen, geringer als bei Zink ist und durch den Stromfluss sogar umgekehrt gezwungen ist zu reagieren, wie oben beschrieben. Dadurch ist auch anders erklärt, dass die negative Ladung an der Kupferelektrode wesentlich geringer als bei der Zinkelektrode. Insgesamt gesehen kann man auch sagen, dass die Zinkelektrode durch die Abgabe von Elektronen oxidiert und die Kupferelektrode durch die Aufnahme von Elektronen reduziert. Dies sind die Erklärungen und Kenntnisse der Redoxreaktion. Im Ursprung kann man davon ausgehen, dass eigentlich jedes Metall nach Oxidation strebt, also Elektronen abgeben will, sobald es in einer galvanischen Halbzelle getaucht wird, nur das die Stärke nach Reduktion, wie schon erwähnt, unterschiedlich stark ist. Nur dadurch, dass die zwei Metalle zusammengeschaltet werden und dadurch beide Metalle miteinander kämpfen, welches nun Elektronen abgibt (eins kann ja hier nur), hängt also nur an der Stärke ab. Welches stärker ist, gibt also letztendlich die Elektronen ab und das andere ist somit gezwungen, die Elektronen aufzunehmen. Davon hängt dann auch die Richtung des Stromflusses, sowohl welche Elektrode oxidiert bzw. reduziert und wo dadurch letztendlich der Minus- bzw. Pluspol liegt.

Eine Liste von Metallen, geordnet nach ihrer Reduktionsfähigkeit unter Standardbedingungen ist die Elektrochemische Spannungsreihe. Sie kann zur Berechnung von beliebigen elektrochemischen Zellen herangezogen werden.