abiweb
online lernen

Die perfekte Abiturvorbereitung
in Chemie

Im Kurspaket Chemie erwarten Dich:
  • 42 Lernvideos
  • 208 Lerntexte
  • 747 interaktive Übungen
  • original Abituraufgaben
gratis testen

DANIELL-Element/ galvanische Zelle

Donator-Akzeptor-Prinzip
Redox-Chemie / Redoxreaktionen: Elektrochemie

Ein Daniell-Element ist eine galvanische Zelle. In galvanischen Zellen finden Redoxprozesse statt und der Elektronenfluss kann in Form von Strom gemessen werden. Dabei sind Oxidation und Reduktion räumlich voneinander getrennt. Jede Teilreaktion stellt eine sogenannte Halbzelle dar. Die Halbzellen werden über einen Elektronenleiter miteinander verbunden, damit der Elektronenfluss gewährleistet ist. Um den Stromkreis zu schließen, werden die beiden Halbzellen ebenfalls über einen Ionenleiter mit einander verbunden. Dies ermöglicht einen Ionenaustausch zwischen den Lösungen der Halbzellen und verhindert gleichzeitig die Aufladung der Lösungen. Der Ionenleiter kann eine Elektrolytbrücke oder eine poröse semipermeable Wand sein. 

Jede Halbzelle ist aufgebaut aus einer Elektrode aus einem bestimmten Metall, die in einer Ionenlösung des gleichen Metalls eingetaucht ist, z.B. Zinkelektrode in Zinkionen-Lösung (= Redoxpaar). Beide Elektroden werden mit dem schon erwähnten Elektronenleiter verbunden, wobei ein Messgerät zwischen geschaltet ist (siehe dazu Abb. 19).

image
Abbildung 19: Allgemeiner Aufbau eines galvanischen Elements

Merke

Merke: Eine galvanische Zelle ist die einfachste Form einer Batterie. Sie besteht aus zwei Halbzellen in denen, Oxidation (Donatorhalbzelle) und Reduktion (Akzeptorhalbzelle) räumlich getrennt voneinander stattfinden.

In welcher Halbzelle die Oxidation stattfindet (Donatorhalbzelle) und in welcher die Reduktion (Akzeptorhalbzelle), hängt von den eingesetzten Redoxpaaren ab. Das Daniell-Element stellt eine spezielle galvanische Zelle dar, in der die Redoxpaare Zn/Zn2+ und Cu/Cu2+ verbaut sind (siehe dazu Abb. 20).

image
Abbildung 20: Aufbau eines Daniell-Elements

Verbindet man die beiden Elektroden, wie in Abb. 20 dargestellt, miteinander, so fließen die Elektronen vom Zink zu Kupfer. Dieser Elektronenfluss lässt sich mithilfe eines Strommessgerätes nachweisen. Der Strom kann nur fließen, wenn zwischen den beiden Elektroden eine Potentialdifferenz besteht. Die Spannung (U) zwischen der Zink- und Kupferelektrode bei gleicher Konzentration der Lösungen beträgt U = 1,1 V. Diese Spannung muss durch das stoffliche System bedingt sein und kann als charakteristische Größe für die Kombination der Redoxpaare angesehen werden. Die Potentialdifferenz wird über die Spannung dargestellt. Differenzen ergeben sich mathematisch aus zwei Werten. Somit brauchen wir zwei Potentiale, aus denen eine Potentialdifferenz resultiert. Diese entstehen an den Elektroden.

Nach dem Eintauchen einer Elektrode in die Elektrolyt-Lösung stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der Elektrode und den gelösten Ionen ein. Bei den hier verwendeten Redoxpaaren stellen sich folgende Gleichgewichte ein:

image
Abbildung 21: Elektrodengleichgewichte des Daniell-Elements

Aus dem Metallgitter gehen Metallionen in Lösung und hinterlassen ihre Elektronen in der Elektrode (= Lösungsdruck, pL). Das dadurch negativ aufgeladene Metall zieht die positiv geladenen, in Lösung gegangenen Metall-Ionen wiederum an (= osmotischer Druck). Es bildet sich eine elektrische Doppelschicht und so baut sich ein elektrisches Potential an den Elektroden auf (= elektromotorische Kraft = EMK). Da die Tendenz der Zinkatome,  unter Elektronenabgabe Ionen zu bilden, größer ist als die der Kupferatome, herrscht an der Zink-Elektrode ein Elektronenüberschuss gegenüber der Kupferelektrode. Somit bildet die Zink-Elektrode den Minuspol (Anode) und die Kupfer-Elektrode den Pluspol (Kathode).

Merke

Merke: Elektronen (e-) fließen immer von der Anode zur Kathode. Bei einem galvanischen Element ist die Anode immer der Minuspol und die Kathode der Pluspol.

Die Zinkhalbzelle, der Ort der Oxidation, ist die Donatorhalbzelle, die Kupferhalbzelle stellt den Ort der Reduktion dar und wird als Akzeptorhalbzelle bezeichnet. Würde man so ein Daniell-Element für längere Zeit in Betrieb nehmen, könnte man sehen, dass die Zinkelektrode immer schmaler wird und die Kupferelektrode immer mehr am Masse zunimmt.

Damit der Stromfluss überhaupt möglich ist, muss dafür gesorgt sein, dass der Stromkreis geschlossen ist. Dafür sorgt die Elektrolytbrücke. Die  andere wichtige Funktion dieser Brücke ist, dass sie es den Ionen ermöglicht zwischen den Halbzellen zu wandern. In der Zinkhalbzelle entstehen immer zwei Zinkionen (Zn2+), die zwei positive Ladungen tragen. Damit sich diese Halbzelle nicht positiv auflädt, müssen aus der anderen Halbzelle negative Ionen (SO42-) hinüber wandern. In der Kupferhalbzelle verschwinden immer mehr Kupferionen (Cu2+), da sie zu elementarem Kupfer (Cu) reduziert werden. Damit sich diese Halbzelle nicht negativ auflädt müssen aus der anderen Halbzelle positive Ionen (Zn2+) herüberwandern.

Merke

Merke: Wenn der Stromkreis geschlossen ist, findet der Redoxprozess eines galvanischen Elements freiwillig statt. Dabei wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt (Strom). Die Triebkraft des Vorgangs entsteht durch die Potentialdifferenz.

Multiple-Choice
Welche Redoxpaare repräsentieren das Daniell-Element?
0/0
Lösen

Hinweis:

Bitte kreuzen Sie die richtigen Aussagen an. Es können auch mehrere Aussagen richtig oder alle falsch sein. Nur wenn alle richtigen Aussagen angekreuzt und alle falschen Aussagen nicht angekreuzt wurden, ist die Aufgabe erfolgreich gelöst.

Vorstellung des Online-Kurses Anorganische ChemieAnorganische Chemie
Dieser Inhalt ist Bestandteil des Online-Kurses

Anorganische Chemie

abiweb - Abitur-Vorbereitung online (abiweb.de)
Diese Themen werden im Kurs behandelt:

[Bitte auf Kapitelüberschriften klicken, um Unterthemen anzuzeigen]

  • Stoffe und Stoffeigenschaften
    • Einleitung zu Stoffe und Stoffeigenschaften
    • Aggregatzustände
    • Gemische und Reinstoffe
    • Elemente und Atomaufbau
    • Periodensystem der Elemente (Aufbau)
      • Einleitung zu Periodensystem der Elemente (Aufbau)
      • Metalle und Nichtmetalle
    • Elektronegativität (EN)
    • Ionisierungsenergie (IE) und Elektronenaffinität (EA)
    • Chemisches Rechnen
  • Chemische Reaktionen
    • Einleitung zu Chemische Reaktionen
    • Chemisches Gleichgewicht und Kinetik
    • Beeinflussung des chemischen Gleichgewichts
    • Anwendungen des MWG in der chemischen Großindustrie
      • Einleitung zu Anwendungen des MWG in der chemischen Großindustrie
      • Haber-Bosch-Verfahren
      • Ostwald-Verfahren
      • Kontaktverfahren
  • Bindungsarten
    • Einleitung zu Bindungsarten
    • Lewis-Schreibweise
    • Starke Bindungen
      • Einleitung zu Starke Bindungen
      • Ionenbindung
      • Atombindung
      • Koordinative Bindung
      • Metallbindung
    • Schwache Bindungen
      • Einleitung zu Schwache Bindungen
      • Wasserstoffbrückenbindungen
      • Van-der-Waals-Bindungen
  • Fällungsreaktionen
    • Einleitung zu Fällungsreaktionen
  • Donator-Akzeptor-Prinzip
    • Einleitung zu Donator-Akzeptor-Prinzip
    • Säure-Base-Chemie
      • Einleitung zu Säure-Base-Chemie
      • Definition: Säuren und Basen
      • Protolyse von Säuren und Basen
        • Einleitung zu Protolyse von Säuren und Basen
        • Protolyse einer Säure
        • Protolyse einer Base
      • Konjugierte Säure-Base-Paare
      • Mehrprotonige Säuren
      • Ampholyte
      • Autoprotolyse des Wassers
      • Ionenprodukt des Wassers
      • pH-Wert
      • Neutralisation
      • Säure- & Basenstärke
      • Starke Säuren und Basen
      • Puffer
      • Indikatoren
      • Säure-Base-Titration
    • Redox-Chemie
      • Einleitung zu Redox-Chemie
      • Oxidation und Reduktion
      • Oxidationszahlen/ Oxidationsstufen
      • Aufstellen von Redoxgleichungen
      • Dis- und Komproportionierung
      • Redoxreaktionen: Elektrochemie
        • Einleitung zu Redoxreaktionen: Elektrochemie
        • DANIELL-Element/ galvanische Zelle
        • Elektrochemische Spannungsreihe
        • Konzentrationsabhängigkeit der Elektrodenpotentiale
        • Nernst-Gleichung
        • Korrosion
        • Elektrolyse (allgemein)
          • Einleitung zu Elektrolyse (allgemein)
          • Technisch interessante Elektrolysen
            • Einleitung zu Technisch interessante Elektrolysen
            • Chloralkali-Elektrolyse
            • Kupfer-Raffination
            • Wasserstoffgewinnung/Wasserelektrolyse
  • Komplexe
    • Einleitung zu Komplexe
    • Zähnigkeit der Liganden
    • Nomenklatur-Regeln
      • Einleitung zu Nomenklatur-Regeln
      • Anwendung der Nomenklatur-Regeln
  • Donator-Akzeptor
    • Einleitung zu Donator-Akzeptor
    • Redox-Reaktionen-Konzept
      • Einleitung zu Redox-Reaktionen-Konzept
      • Oxidations-Reduktionsmittel und Oxidationszahlen
      • Galvanisches Element und Nernstgleichung
      • Elektrolyse
      • Energiequellen der Elektrochemie
      • Technische Elektrolysen
    • Säure-Base-Konzept
      • Einleitung zu Säure-Base-Konzept
      • Herleitung der Parameter - Massenwirkungsgesetz
      • Stärke von Säuren und Basen
      • pH-Konzept
      • Puffersysteme
      • Titrationsverfahren
  • Vergleich: Protolyse und Elektrolyse (Akzeptor-Donator-Konzept)
    • Einleitung zu Vergleich: Protolyse und Elektrolyse (Akzeptor-Donator-Konzept)
  • 78
  • 15
  • 224
  • 132

Unsere Nutzer sagen:

  • Miriam

    Miriam

    "Ich finde abiweb.de sehr hilfreich und die Themen sehr gut erklärt!! Vielen Dank!!"
  • Jens

    Jens

    "Endlich habe ich es verstanden :) Ich schreibe morgen meine Klausur und denke, dass ich es nun kann :)"
  • Michaela

    Michaela

    "Vielen Dank:) Wäre schön wenn sich meine Lehrerin so viel Zeit für alles nehmen könnte."

NEU! Sichere dir jetzt die perfekte Prüfungsvorbereitung und spare 20% bei deiner Kursbuchung!

20% Coupon: abitur20

Zu den Online-Kursen