Grundlagen der Elektrochemie und galvanische Zellen

Definitionen und Konzepte der Elektrochemie

Das Daniell-Element

Das Daniell-Element ist ein Primärelement, das aus Zink und Kupfer besteht.

Die elektrochemische Doppelschicht

Als elektrochemische Doppelschicht bezeichnet man die Entstehung einer Schicht aus positiven und negativen Ladungsträgern nach der Reaktion innerhalb der Halbzelle. Dabei befinden sich Elektronen im Metall und positive Ionen in der Lösung.

Die elektrochemische Spannungsreihe

Die elektrochemische Spannungsreihe ist die Ordnung von Redoxpaaren nach ihrem Standardpotential.

Der Lösungsdruck (Lösungstension)

Der Lösungsdruck ist die Tendenz des Metalls, Ionen zu bilden.

Der Abscheidungsdruck

Der Abscheidungsdruck ist die Tendenz eines Metallions, Elektronen aufzunehmen.

Berechnung der Zellspannung

Die Zellspannung $U$ berechnet sich wie folgt:

U = U(Akzeptor) - U(Donator)

Zusammenhang von Reaktion, Rolle und Pol

• Oxidation: Donator (Elektronenabgabe) → Anode (Minuspol)
• Reduktion: Akzeptor (Elektronenaufnahme) → Kathode (Pluspol)

Die Volta-Säule

Bei der Volta-Säule handelt es sich um eine Reihe von hintereinander geschalteten galvanischen Zellen, die im 19. Jahrhundert eine sehr große Bedeutung als Stromquelle hatte.

Die Redoxreaktion

Bei einer Redoxreaktion findet stets ein Elektronenübergang statt.

Einfluss von Sauerstoff auf die Spannung (Beispiel)

Durch die Bewegung der Kupfer-Elektrode nach der Redoxreaktion wird die Spannung höher. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass Sauerstoff in die Lösung eingebracht und reduziert wird:

4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Die galvanische Zelle und Halbzellen

Eine galvanische Zelle ist eine bestimmte Anordnung von zwei Stoffen in getrennten Räumen, die in einem geschlossenen Stromkreis verbunden sind. Die beteiligten Redoxsysteme nennt man Halbzellen.

Potentialdifferenz / Zellspannung

Die Potentialdifferenz, auch Zellspannung oder elektrochemische Kraft genannt, ist der Spannungsunterschied zwischen den Polen der galvanischen Zelle.

Das Elektrodenpotential

Das Elektrodenpotential ist ein Maß für die Aufladung der Elektrode und wird als Spannung der Kombination mit der Standardwasserstoffelektrode gemessen.

Das Standardelektrodenpotential ($E^0$)

Das Standardelektrodenpotential wird als Spannung gegen die Standardwasserstoffelektrode unter Standardbedingungen (Konzentration $C = 1 ext{ mol/l}$) gemessen.

Definition der Elektrode

Mit Elektrode bezeichnet man das Redoxsystem einer Halbzelle, vor allem das Metall, das an der Potentialbildung beteiligt ist.

Funktionsweise der Daniell-Zelle (Cu/Zn)

1. Kupfer ist edler als Zink, d. h., die Lösungstension von Zink ist größer.
2. Am Zinkstab lösen sich Zinkionen ab. Diese lassen Elektronen an der Elektrode zurück. Die Zinkelektrode (Anode) wird dadurch negativ geladen.
3. Die überschüssigen Elektronen im Zink werden über einen Leiter (Metalldraht) zur Kupferelektrode übertragen. Die messbare Spannung beträgt 1,1 V.
4. Die $ ext{Cu}^{2+}$-Ionen in der Lösung nehmen diese Elektronen auf und lagern sich als elementares Kupfer auf der Elektrode ab.
5. Da sich auf der einen Seite positive Ionen (Zink) ansammeln, muss ein Ladungsausgleich stattfinden.
6. Dieser geschieht über die Ionen-Salzbrücke, wobei $ ext{SO}_4^{2-}$-Ionen von der Kathode (Kupferseite) zur Anode (Zinkseite) wandern.