Galvanische Zelle

Definition und Bedeutung

Eine galvanische Zelle, auch galvanisches Element oder galvanische Kette, ist eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung chemischer in elektrische Energie. Jede Kombination aus zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten bildet ein galvanisches Element. Es dient als Gleichspannungsquelle; der charakteristische Wert ist die eingeprägte Spannung.

Die Kapazität beschreibt die entnehmbare Ladungsmenge. Sie ist das Produkt aus Entladungsstromstärke und Entladungszeit, genauer das Integral ∫ₜ₀ₜ₁ I(t) dt der Entladungsstromstärke über den Entladungszeitraum.

Aufbau, Funktionsweise und Zelltypen

Die Funktion beruht auf einer Redoxreaktion, also dem gekoppelten Ablauf von Oxidation und Reduktion. Beide Reaktionen finden räumlich getrennt in je einer Halbzelle, auch Halbelement genannt, statt. Ein Elektronenleiter verbindet die Elektroden; ein Ionenleiter ermöglicht den Ladungsausgleich in den Lösungen. Zusammen schließen sie den Stromkreis.

Die elektrische Leerlaufspannung kann mit der Nernst-Gleichung berechnet werden. Sie hängt von der Art des Metalls, der Konzentration in den Lösungen der Halbzellen und der Temperatur ab. Die Metallarten werden in der elektrochemischen Spannungsreihe eingeordnet. Im Gegensatz zur Elektrolyse liefert die galvanische Zelle elektrische Energie, während die Elektrolyse elektrische Energie benötigt.

Galvanische Zellen werden in drei Gruppen eingeteilt:

• Primärzellen werden umgangssprachlich als Batterien bezeichnet. Sie sind nach dem Zusammenfügen geladen und können einmalig entladen werden. Die Entladung ist unumkehrbar; elektrisch lassen sie sich nicht wieder aufladen.
• Sekundärzellen heißen Akkumulatoren oder kurz Akkus. Nach der Entladung können sie durch eine entgegengesetzte Stromrichtung wieder aufgeladen werden. Ihre chemischen Prozesse sind innerhalb einer begrenzten Zyklenanzahl umkehrbar. Bei gleicher Temperatur ist ihre Energiedichte geringer als die von Primärzellen.
• Brennstoffzellen, auch Tertiärzellen genannt, speichern den chemischen Energieträger nicht in der Zelle. Er wird kontinuierlich von außen zugeführt, wodurch ein im Prinzip zeitlich unbeschränkter Betrieb möglich ist.

Beim Entladen ist der Minuspol immer die Anode, an der die Oxidation stattfindet, und der Pluspol immer die Kathode, an der die Reduktion stattfindet. Die Merkhilfe lautet „OMA“: Oxidation, Minuspol und Anode. Beim Laden einer Sekundärzelle sind die Reaktionen vertauscht: Am Pluspol findet die Oxidation statt, sodass er als Anode fungiert; der Minuspol ist der Ort der Reduktion und damit die Kathode. Dafür gilt „OPA“: Oxidation, Pluspol und Anode.

Eine Zelle liefert Spannung, bis das chemische Gleichgewicht erreicht ist. Liegt eine Elektrodenspannung vor, ohne dass Strom fließt, befindet sie sich im elektrochemischen Gleichgewicht.

Historische Entwicklung

Der Nachweis der frühesten galvanischen Zellen in der Antike ist umstritten. Mit einem Nachbau der etwa 1800 Jahre alten Bagdad-Batterie konnte zwar eine elektrische Spannung erzeugt werden; ob das originale antike Tongefäß ursprünglich dafür verwendet wurde, ist jedoch nicht bekannt und bleibt eine Hypothese.

Die Entwicklung moderner galvanischer Zellen wurde durch Versuche Luigi Galvanis um 1780 angestoßen. Berührte er Froschschenkel mit zwei miteinander verbundenen Drähten aus verschiedenen Metallen, zuckten die Muskeln. Alessandro Volta zeigte 1790, dass Tierbestandteile für eine Batteriezelle nicht notwendig sind. In den folgenden Jahren entwickelte er die Voltasche Säule aus Kupfer- und Zinkplatten, zwischen denen mit Kochsalzlösung getränktes Papier lag.

Georges Leclanché patentierte 1866 das Leclanché-Element. Es war eine nicht wiederaufladbare Primärzelle mit ursprünglich flüssigem Elektrolyten und gehörte zu den Nassbatterien. Verbesserungen führten zu einem gelierten Elektrolyten und damit zu Vorläufern der Trockenbatterien, etwa der Zink-Kohle-Zelle und der Alkali-Mangan-Batterie.

Der Nickel-Eisen-Akkumulator wurde um das Jahr 1900 nahezu gleichzeitig und unabhängig von Thomas Alva Edison und Waldemar Jungner entwickelt. Er gilt als Vorläufer des später entwickelten Nickel-Cadmium-Akkumulators.

Beispiele galvanischer Zellen

Ein galvanisches Element kann beispielsweise aus einer Kupfer- und einer Silberelektrode aufgebaut werden. Die Kupferelektrode taucht in eine Kupfersulfat-Lösung, die Silberelektrode in eine Silbersulfat-Lösung. Ein Draht mit Voltmeter bildet den Elektronenleiter; eine Ionenbrücke verbindet die Lösungen.

Wegen der unterschiedlichen Redoxpotentiale gehen an der Kupferelektrode mehr Ionen in Lösung als an der Silberelektrode. Dadurch entsteht ein Elektronenüberschuss an Kupfer und ein Elektronenmangel an Silber. Elektronen fließen zur Silberelektrode. Dort werden Silberionen zu elementarem Silber reduziert:

2 Ag⁺ + 2 e⁻ → 2 Ag

Die Silberelektrode ist deshalb Kathode und Pluspol. An der Kupferelektrode werden Kupferatome oxidiert:

Cu → Cu²⁺ + 2 e⁻

Die Kupferelektrode ist Anode und Minuspol. Die Ionenbrücke, häufig ein mit Elektrolyt gefülltes U-Rohr mit Membran oder Diaphragma, verhindert eine Aufladung der Halbzellen. In diesem Beispiel wandern Sulfationen von der Kathode zur Anode, also von der Silber- zur Kupferhalbzelle. Auch eine selektivpermeable Membran kann den Ladungsausgleich ermöglichen.

Das Daniell-Element ist eine Zink-Kupfer-Zelle. Wegen des unedleren Charakters von Zink werden Zinkatome bevorzugt oxidiert:

Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻

Die Zinkhalbzelle ist die Donatorhalbzelle, gibt also Elektronen ab, und bildet den Minuspol. Die Elektronen fließen über die leitende Verbindung zum Kupferstab, der zur Akzeptorhalbzelle gehört. Dort werden Kupferionen reduziert:

Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu

Die Ionenwanderung in den Lösungen sorgt dafür, dass die Gesamtladung der Halbzellen unverändert bleibt. Zellen mit zwei gleichen Halbzellen, die sich nur in ihrer Konzentration unterscheiden, heißen Konzentrationselemente. Auch der Deflagrator ist eine galvanische Zelle.

Verkürzte Zellschreibweise

Das Daniell-Element wird in verkürzter Schreibweise so dargestellt:

Zn|Zn²⁺(1 mol/l)||Cu²⁺(1 mol/l)|Cu

Die beiden Halbzellen werden durch ein Diaphragma getrennt, also eine dünne, halbdurchlässige beziehungsweise semipermeable Membran. Beim Daniell-Element lässt sie fast ausschließlich die negativ geladenen Anionen hindurch; dabei handelt es sich um SO₄²⁻-Ionen (Sulfationen), die in den Salzlösungen beider Halbzellen vorkommen.

Der doppelte senkrechte Strich „||“ kennzeichnet das Diaphragma. Links und rechts davon stehen die beiden Halbzellen mit ihren Elektroden und gelösten Ionen in verkürzter Form. Die Konzentration der Metallsalzlösung wird angegeben. Üblicherweise steht die Anodenhalbzelle links.