Galvanische Zelle | Daniell-Element | Galvanisches Element | Chemie Endlich Verstehen
Chemie Endlich Verstehen
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0:00 Chemie endlich verstehen, heute mit dem Thema galvanische Zellen am Beispiel des Daniel-Elements. Als wichtiges Vorwissen solltet ihr
0:08 Redoxreaktionen und Redoxgleichungen kennen und auch die Redoxreihe der Metalle. Falls ihr dazu noch Videos braucht, findet ihr die in der
0:15 Beschreibung. Grundsätzlich erstmal, was ist ein galvanisches Element, was ist eine galvanische Zelle? Galvanische Zellen
0:24 liefern uns Strom aus Redoxreaktionen und eine der ersten Aufbauten war das Daniel-Element, das besteht aus Zink- und Kupferhalbzellen.
0:35 Jetzt aber erstmal der grundsätzliche Aufbau. Wir finden auf der einen Seite eine Elektrode,
0:41 die ist in diesem Fall ein Zinkstab, und ein Elektrolyten, also eine Flüssigkeit, in die diese Elektrode taucht, in diesem Fall Zinksulfat.
0:51 Die Elektrode und der Elektrolyt passen im Normalfall zusammen, das heißt Zink und z.B. Zinksulfat, und auf der anderen Seite eine Kupferelektrode
0:59 in Kupfersulfat. Die beiden Halbzellen, so nennt man die Hälften, werden durch ein Diaphragma getrennt, ähm, damit die Lösungen, die
1:11 Elektrolyte sich nicht einfach durchmischen. Zwischen diesen beiden Halbzellen schließt man dann einen Motor, eine
1:18 Lampe oder was auch immer an, um den elektrischen Strom, der hier zwischen fließt, zu nutzen. Welche Prozesse laufen ab?
1:27 In der Zinkhalbzelle reagieren Zinkatome zu Zinkionen. Dabei geben sie Elektronen ab, Zink gibt
1:36 zwei Elektronen ab, und diese werden übertragen über den elektrischen Leiter auf die Kupferhalbzelle. In der Kupferhalbzelle reagieren diese zwei
1:46 Elektronen mit Kupferionen aus der Lösung, aus dem Elektrolyten, zu Kupferatomen. Das heißt, an der Zinkelektrode gehen die ganze Zeit
1:55 Zinkatome als Ionen in Lösung und auf der anderen Seite gehen Kupferionen aus der Lösung und setzen sich am an der Elektrode ab.
2:07 Dadurch haben wir den Effekt, dass diese Seite des galvanischen Elements positive Ladung verliert. Das heißt, wir
2:16 müssen irgendwie die Ladung ausgleichen, darum wandern positive Ionen aus der linken in die rechte Halbzelle und gleichzeitig auch negativ geladene
2:25 Sulfat-Ionen aus der rechten in die linke Halbzelle. Dadurch, dass die Ionen der Lösung wandern können und die Elektronen über
2:32 den elektrischen Leiter ausgetauscht werden können, sind diese beiden Halbzellen elektrisch leitend miteinander verbunden und der Stromkreis
2:40 ist so geschlossen. Wenn wir uns das als chemische Reaktionsgleichung angucken, haben wir
2:46 auf der linken Seite die Oxidation. Das heißt, hier reagieren Zinkionen, geben Elektronen ab, reagieren zu Zink-2-Plus-Ionen
2:56 und den zwei Elektronen. Auf der anderen Seite findet die Reduktion statt. Das heißt, die Kupferionen reagieren mit den Elektronen, die aus der anderen Seite
3:03 kommen und bilden Kupferatome. Wenn wir das als Gesamtgleichung aufstellen, sieht das Ganze so aus.
3:14 Jetzt gibt's noch ein paar Fachbegriffe für dieses galvanische Element, diese galvanische Zelle. Auch die beiden Begriffe sind äquivalent zu benutzen.
3:23 Die Seite, die die Elektronen abgibt, wird als Minuspol bezeichnet. Die Seite, die die Elektronen aufnimmt, als Pluspol. Das kann man hier oben auch
3:32 markieren. Die Minus, der Minuspol wird auch als Anode bezeichnet, bzw. Die andere Seite als Kathode. Das könnt
3:42 ihr euch auch merken mit Anode Oxidation, Kathode Reduktion. Das heißt, in diesem Fall Vokale A und O, Konsonanten
3:56 K und R. Außerdem gibt es noch die Begriffe Donator-Halbzelle, Donare wie abgeben.
4:04 Diese Seite gibt die Elektronen ab, Akzeptor, dieses nimmt die Elektronen auf.
4:13 So eine Halbzelle kann man auch bzw. so ein galvanisches Element kann man auch noch abkürzen mit einem Zelldiagramm. Das heißt Zn Zn steht für die
4:21 Elektrode, für den Zinkstab, Zn+ für die Ionen, die in der Lösung sind. Es gibt auch die Schreibweise, wo man hier ZnSO4 schreibt, also die komplette Formel des
4:31 Elektrolyten und dann hier die Konzentration. Die andere Seite, das hier, dieses zwei Schrägstriche symbolisieren das Diaphragma.
4:42 Auf der anderen Seite kommen dann Cu2+ oder CuSO4 für den Elektrolyten mit Konzentration und Cu für die Elektrode.
4:53 Nun der theoretische Hintergrund. Die wichtigen Begriffe in diesem Fall sind die Lösungstension und die elektrochemische Doppelschicht.
5:02 Also, grundsätzlich ist die Lösungstension einfach nur die Fähigkeit eines Metalls in wässriger Lösung Ionen zu bilden. Das heißt, wenn ihr euch
5:11 vorstellt, wir nehmen ein Wasserglas oder ein Becherglas mit Wasser und halten da einen Metallstab rein, dann gehen einfach Metallatome als Ionen in
5:21 Lösung und die Elektronen bleiben in dem Metallstab zurück. Dann ergibt sich natürlich die Frage, warum geht da nicht das ganze Metall
5:28 vollständig in Lösung? Ihr wisst, wenn ihr einen Nagel in Wasser werft, löst er sich nicht vollständig im Wasser.
5:36 Da kommt der nächste Fachbegriff ins Spiel, und zwar die elektrochemische Doppelschicht. Je länger ihr diesen Metallstab ins
5:43 Wasser haltet, desto mehr Ionen gehen in Lösung. Bzw. desto mehr Atome gehen als als Ionen in Lösung und es entsteht so eine
5:52 Schicht aus positiv geladenen Metallkationen und negativen Elektronen. Und zwischen diesen negativ geladenen Elektronen beziehungsweise der negativ
6:03 aufgeladenen Elektrode und dem äh und dem Metallkation gibt es Anziehungskräfte. Dadurch, dass die Metallkationen jetzt
6:13 von der vom negativ geladenen Metall angezogen werden, gibt es auch die Rückreaktion. Das heißt, diese Metallkationen reagieren auch wieder zu
6:21 Metallatomen und bleiben dann wieder am Stab. Und dann stellt sich einfach ein Gleichgewicht ein. Das heißt, wir haben
6:27 das Metall, das zu zum Ion reagiert, vom Stab aber angezogen wird und dann wieder zurück zum Metallatom reagiert.
6:38 Nun zur Entstehung der Spannung beziehungsweise dazu, warum hier ein Strom fließen kann. Die Lösungstension kennt ihr jetzt
6:45 schon. Das heißt, ihr wisst, wenn wir Zink und Kupfer in diese Halbzellen eintauchen, ähm bilden sich gleich Ionen an der Oberfläche. Aber man muss
6:55 beachten, dass je unedler ein Metall ist, desto stärker ist die Lösungstension. Das heißt, an dieser Stelle haben wir auf der Seite des Zinks
7:03 viel mehr Ionen in Lösung und eine viel negativer aufgeladene ein viel negativer aufgeladenes Metall als auf der Kupferseite. Das heißt, hier gehen mehr
7:12 Ionen in Lösung. Die Zinkseite lädt lädt sich viel negativer auf. Wenn wir nun diese beiden ähm Halbzellen, diese beiden Elektroden mit
7:21 einem Draht verbinden würden, würden die Elektronen nun von der Seite, die stärker negativ aufgeladen ist, das
7:29 heißt, von der Zinkseite, zur Kupferseite, die weniger negativ aufgeladen ist, rüberfließen. Das kann man sich vorstellen, hier sind
7:39 mehr Elektronen, hier sind weniger Elektronen. Es würde zu einem Ausgleich kommen und die Elektronen würden rüber fließen.
7:47 Wenn wir jetzt das Ganze nicht leitend verbinden, sondern eine Spannung messen, Spannungsgeräte haben ja einen sehr, sehr hohen Innenwiderstand, so dass kein
7:55 Strom fließen kann, dass so, dass wir dann erst die Spannung messen können, könnten wir eine Spannung von 1,1 Volt messen.
8:03 Diese Spannung können wir nur messen, weil die Elektroden ein Elektroden- oder ein Redoxpotential haben. Das heißt, die haben die Fähigkeit, eine
8:12 elektrische Spannung zu liefern. Die Spannung selbst, die wir hier messen, ist eigentlich nur die Potentialdifferenz, das heißt, der
8:21 Unterschied zwischen diesen beiden. Negativer aufgeladen, weniger negativ aufgeladen. Der Unterschied, den wir messen, ist dann die Zellspannung.
8:32 Ich hoffe, ihr habt soweit alles verstanden. Bis bald.