DANIELL-Element/ galvanische Zelle

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).

Abbildung 19: Allgemeiner Aufbau eines galvanischen Elements

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).

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:

Abbildung 21: Elektrodengleichgewichte des Daniell-Elements

Aus dem Metallgitter gehen Metallionen in Lösung und hinterlassen ihre Elektronen in der Elektrode (= Lösungsdruck, p_L). 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).

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 (SO₄^2-) 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.