Eine galvanische Zelle ist eine Art elektrochemische Zelle, die durch eine spontane Redoxreaktion chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Dieses Gerät besteht aus zwei Elektroden aus unterschiedlichen Metallen, die in getrennte Elektrolytlösungen eingetaucht und über eine Salzbrücke oder eine poröse Scheibe verbunden sind, wodurch der Ionenfluss ermöglicht und das Ladungsgleichgewicht aufrechterhalten wird. Der Name ist zu Ehren von Luigi Galvani entstanden, dessen Experimente mit Elektrizität und biologischem Gewebe grundlegend für die Entwicklung der Elektrochemie waren.
Der Begriff Voltasche Säule wird manchmal synonym verwendet. Bei der Voltasche-Säule handelt es sich jedoch um eine Art galvanische Zelle. Dieses wurde von Alessandro Volta entworfen und ist ein Vorläufergerät, das auf demselben elektrochemischen Prinzip basiert. Seine Erfindung stellte einen großen Fortschritt dar, da sie die erste Quelle für Gleichstrom lieferte.
Teile einer galvanischen Zelle
Bevor wir erklären, wie eine galvanische Zelle funktioniert, müssen wir ein wenig über ihre Bestandteile wissen:
Hier ist eine detaillierte Beschreibung jedes Teils einer galvanischen Zelle:
Anode
Die Anode ist die Elektrode, an der die Oxidation, also der Verlust von Elektronen, stattfindet.
In einer galvanischen Zelle fungiert die Anode als Minuspol, da von ihr Elektronen abgegeben werden und über den äußeren Stromkreis zur Kathode wandern. Normalerweise besteht die Anode aus einem reaktiveren Metall, das leicht Elektronen verliert, wie beispielsweise Zink in der Daniell-Zelle.
Im Verlauf der Reaktion lösen sich die Anodenatome als Ionen in der Lösung auf.
Kathode
Die Kathode ist die Elektrode, an der die Reduktion, also die Aufnahme von Elektronen stattfindet. Es handelt sich dabei um den Pluspol, da er die von der Anode kommenden Elektronen anzieht. In dieser Elektrode verbinden sich die Ionen der Lösung mit den über den externen Stromkreis eintreffenden Elektronen und bilden neutrale Atome oder Moleküle.
Bei der Daniell-Zelle besteht die Kathode aus Kupfer, an deren Oberfläche sich gelöste Kupferionen durch Aufnahme von Elektronen ablagern.
Elektrolyt
Der Elektrolyt ist die ionische Lösung, in die die Elektroden eingetaucht sind und die die Bewegung der Ionen ermöglicht, um das Ladungsgleichgewicht in der Zelle aufrechtzuerhalten.
Diese Lösung besteht aus gelösten Salzen, Säuren oder Basen, die die Ionenleitung erleichtern.
In der Daniell-Zelle wird die Zinksulfatlösung (
) umgibt die Anode, während die Kupfersulfatlösung (
) umgibt die Kathode.
Salzbrücke oder poröse Membran
Die Salzbrücke ist ein Rohr oder eine Membran, die mit einer Lösung inerter Salze wie Kaliumchlorid (
) oder Natriumsulfat (
), das die Zirkulation von Ionen zwischen den Elektrodenlösungen ermöglicht. Seine Funktion besteht darin, die Ansammlung elektrischer Ladung in jeder Halbzelle zu verhindern und die elektrische Neutralität in der Zelle aufrechtzuerhalten. Ohne die Salzbrücke würde die Reaktion aufgrund der Ladungstrennung schnell zum Stillstand kommen.
Externe Schaltung
Es handelt sich dabei um den leitfähigen Pfad, über den sich Elektronen von der Anode zur Kathode bewegen. Dieser Schaltkreis kann aus Metallkabeln und Elementen wie Widerständen, Glühbirnen oder Motoren bestehen, die die erzeugte elektrische Energie nutzen. Auf diesem Weg fließt der Strom gemäß der Konvention für elektrischen Strom in die entgegengesetzte Richtung des Elektronenflusses, also von der Kathode zur Anode.
Wie funktioniert eine galvanische Zelle?
Eine galvanische Zelle funktioniert durch eine Oxidations-Reduktions- Reaktion (Redox), die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt.
Diese Zelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode und der Kathode , die in Elektrolytlösungen eingetaucht sind. An der Anode findet eine Oxidation statt, bei der ein Metall Elektronen verliert und sich als Ionen im Elektrolyt auflöst . Diese Elektronen wandern über einen äußeren Stromkreis zur Kathode, wo eine Reduktion stattfindet , d. h. die Elektronen werden von den Metallionen des Elektrolyten eingefangen und in Atome des entsprechenden Metalls umgewandelt.
Der Elektronenfluss durch den externen Schaltkreis erzeugt einen elektrischen Strom, der zum Betreiben von Geräten verwendet werden kann. Damit der interne Stromkreis der Zelle geschlossen bleibt, bewegen sich Ionen durch eine Salzbrücke oder ein poröses Septum zwischen den beiden Elektroden , wodurch der Ladungshaushalt in den Lösungen aufrechterhalten werden kann.
Somit wird die in den Elektroden gespeicherte chemische Energie kontinuierlich in elektrische Energie umgewandelt, solange die Redoxreaktion andauert und Materialien zum Reagieren vorhanden sind.
Beziehung zur Elektrolyse
Der umgekehrte Prozess einer galvanischen Zelle ist die Elektrolyse, bei der ein externer Strom eine nicht spontane Reaktion erzwingt. In beiden Fällen erfolgt der Elektronenfluss durch den externen Stromkreis, während positive Ionen in den Elektrolyten fließen und so den Stromkreis schließen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich in einer galvanischen Zelle Elektronen von der Anode (wo die Oxidation stattfindet) zur Kathode (wo die Reduktion stattfindet) bewegen und durch eine chemische Oxidations-Reduktions-Reaktion (Redox) einen elektrischen Strom erzeugen. Dieses Prinzip ist die Grundlage für die Funktionsweise von Batterien, die in vielen elektronischen Geräten verwendet werden.
Die Voltasche Säule
Bei der Voltazelle handelt es sich um einen speziellen Typ einer galvanischen Zelle, der von Alessandro Volta erfunden wurde. Sie verwendet das gleiche Prinzip der Umwandlung chemischer in elektrische Energie, weist jedoch eine definierte Struktur auf. Anstatt einen einzigen Elektrolyten zu verwenden, nutzt die Voltaikzelle zwei verschiedene Metalle, beispielsweise Zink und Kupfer, die in getrennte Elektrolytlösungen eingetaucht sind.
Der Elektronenfluss zwischen den beiden Elektroden durch einen externen Leiter erzeugt einen konstanten elektrischen Strom.
Der Hauptunterschied zwischen der Voltazelle und anderen galvanischen Zellen liegt in ihrem Aufbau und ihrer Fähigkeit, eine stabile Quelle elektrischer Energie zu erzeugen. Die Voltasche Säule war die erste kontinuierliche Stromquelle und ermöglichte Fortschritte in der Elektrotechnik und der frühen Batterieforschung.
Arten von Zellen
Man unterscheidet drei Typen galvanischer Zellen:
Konzentrationszelle
Eine Konzentrationszelle ist eine primäre (nicht wiederaufladbare) Zelle, die zwei galvanische Halbzellen mit der gleichen chemischen Spezies, aber unterschiedlichen Konzentrationen verwendet.
Eine solche Zelle kann beispielsweise aus zwei Kupferelektroden bestehen, die in zwei Lösungen eingetaucht sind, die Kupfersulfat enthalten (
). Die beiden Lösungen haben unterschiedliche Konzentrationen und die Elektroden sind durch eine poröse Trennwand oder eine Salzbrücke getrennt.
Die Batterie wird entladen, wenn die Elektrolytkonzentration in den beiden Halbzellen gleich ist.
Elektrolysezelle
Eine Elektrolysezelle besteht aus zwei Elektroden, die in einen Tank mit einem Elektrolyten eingetaucht sind. Im Allgemeinen besteht der Elektrolyt aus zwei Elektrolytlösungen, die über eine Salzbrücke oder ein poröses Septum Ionen austauschen können.
An der Anode findet eine Oxidationsreaktion statt. An der Kathode findet dagegen eine Reduktionsreaktion statt. Das Ergebnis ist, dass in der Zelle eine Redoxreaktion stattfindet, zu deren Erzeugung externe elektrische Energie genutzt wird.
Dabei sind die Vorzeichen der Pole gegenüber einer galvanischen Zelle umgekehrt. In einer Elektrolysezelle ist die Anode der Pluspol, während die Kathode der Minuspol ist.
Elektrochemische Zelle
Elektrochemische Batterien bestehen aus zwei Halbelementen, auch Halbzellen genannt.
Diese Halbelemente werden durch eine halbdurchlässige Membran getrennt gehalten oder befinden sich in getrennten Behältern, die durch eine Salzbrücke verbunden sind. Wenn sich Halbelemente verbinden, gibt ein Halbelement durch die Oxidationsreaktion Elektronen ab. Diese Elektronen werden wiederum auf die anderen übertragen, um die Reduktionsreaktion auszulösen.