Galvanisches Element: Aufbau und Funktion verstehen

Das Daniell-Element verbindet eine Zinkhalbzelle mit einer Kupferhalbzelle. Seine Zellschreibweise lautet:

\mathrm{Zn\mid Zn^{2+}\parallel Cu^{2+}\mid Cu}

Links steht Zink, rechts Kupfer; der Doppelstrich bezeichnet die Ionenverbindung. An der Zinkanode werden Zinkatome zu Ionen oxidiert. Elektronen fließen durch den Draht zur Kupferkathode; dort werden Kupferionen reduziert. Die Zinkelektrode wird dünner, an der Kupferelektrode lagert sich Kupfer ab.

Ein Draht allein reicht nicht für anhaltenden Strom. An der Zinkseite entstehen positive Ionen; an der Kupferseite werden sie verbraucht. Ohne Ionenwanderung würde die Aufladung den Elektronenfluss hemmen. Anionen können zur Anode und Kationen zur Kathode wandern. Welche Ionen tatsächlich wandern, hängt von Elektrolyt und Salzbrücke ab.

In einer galvanischen Zelle ist die Anode der Minuspol, weil sie Elektronen abgibt. Die Kathode ist der Pluspol, weil sie Elektronen aufnimmt. Die Elektronen fließen außen von der Anode zur Kathode.

Eine Metallhalbzelle enthält ein Redoxpaar: eine Form vor und eine Form nach der Aufnahme von Elektronen. Beim Paar Cu²⁺/Cu sind das Kupferionen und festes Kupfer. In einer Tabelle hat jedes Paar einen Vergleichswert in Volt (V). Er zeigt, wie leicht die Ionen im Vergleich Elektronen aufnehmen. Ein einzelner Halbzellenwert ist nicht direkt messbar. Als gemeinsamer Bezug dient eine Wasserstoff-Halbzelle mit dem festgelegten Wert 0\,\mathrm{V}.

Dieser Tabellenwert heißt Standardreduktionspotenzial E^0. Die hochgestellte Null kennzeichnet festgelegte Vergleichsbedingungen. Die hier verwendeten Schulwerte gelten bei etwa 25 °C. Im vereinfachten Modell sind dabei 1 mol Metallionen pro Liter Lösung angesetzt. Mol ist ein Zählmaß für eine sehr große Anzahl von Teilchen. In echten Lösungen kann die wirksame Menge gelöster Ionen vom einfachen Konzentrationswert abweichen.

Die Zellspannung ist der Unterschied zwischen den beiden Halbzellenwerten. Unter denselben Standardbedingungen heißt sie U^0; die hochgestellte Null hat dieselbe Bedeutung wie bei E^0. Du rechnest Kathode minus Anode:

U^0=E^0(\text{Kathode})-E^0(\text{Anode})

Je positiver der Vergleichswert, desto leichter nimmt die oxidierte Form Elektronen auf. Deshalb gehört das positivere Standardreduktionspotenzial in der freiwilligen Reaktion unter Standardbedingungen zur Kathode. Für das Daniell-Element gelten ungefähr E^0(\ce{Cu^2+/Cu})=+0{,}34\,\mathrm{V} und E^0(\ce{Zn^2+/Zn})=-0{,}76\,\mathrm{V}.