Das Daniell Element

Beispiel für die Funktionsweise galvanischer Zellen

1. Vorwort:

Die Tendenz, Elektronen abzugeben ist bei Metallen verschieden stark ausgeprägt. Taucht man einen Zinkstab in eine Lösung, die Cu²⁺ Ionen enthält (z.B. Kupfersulfatlösung), so bildet sich an der Zinkoberfläche ein Überzug von metallischem Kupfer.
Diesen Vorgang kann man mit Hilfe folgender Reaktionsgleichung darstellen:

Zn	->	Zn²⁺ + 2 e^-	Oxidationsvorgang
Cu²⁺ + 2 e^-	->	Cu	Reduktionsvorgang
Zn + Cu²⁺	->	Zn²⁺ + Cu	Redoxreaktion

Zwischen den beiden Metallen fließt ein elektrischer Strom, denn es bewegen sich Elektronen vom Zink hin zum Kupfer.
Dieser Strom kann gemessen werden, wenn man verhindert, dass der Elektronenaustausch zwischen den Metallionen (hier Cu²⁺)und den Metallatomen (hier Zn) nicht an der Oberfläche des in Lösung gehenden Metalls (hier Zn) erfolgt.

Mit anderen Worten:
Man muss sowohl den Oxidationsvorgang als auch den Reduktionsvorgang in voneinander abgetrennten Gefäßen ablaufen lassen.

Versuchsanordnungen, bei denen der Oxidationsvorgang sowie der Reduktionsvorgang in voneinander getrennten Gefäßen abläuft, nennt man Galvanische Zellen.

2. Versuchsaufbau:

Zinkelektrode taucht in eine Zinksulfatlösung (ZnSO₄aq)
Kupferelektrode taucht in eine Kupfersulfatlösung (CuSO₄ aq)
Poröse Trennwand verhindert eine Durchmischung der Lösungen, also dass Cu²⁺ Ionen direkt an der Zinkelektrode reagieren können.
Die beiden Elektronen werden mit einem Draht verbunden, über den dann der Elektronenaustausch erfolgt. (Elektronen fließen so vom Zink zum Kupfer)
Der Elektronenfluss ist eine Folge der Potentialdifferenzen in den beiden Halbzellen des Daniell Elementes.

3. Vorgänge:

Zink ist ein unedles Metall . An seiner Zinkoberfläche treten bei Wasserkontakt unzählige Zn²⁺Ionen aus.
Die zürückbleibenden Elektronen halten die austretenden Zn²⁺Ionen jedoch an der Zinkoberfläche fest und verhindern eine Verteilung in der Zinksulfatlösung. An der Zinkoberfläche entstehen zwei Schichten - man redet auch von einer elektrochemischen Doppelschicht - mit entgegengesetzter elektrischer Ladung.

Kupfer ist ein halbedles Metall . Nur wenige Cu²⁺Ionen bilden sich an der Oberfläche der Kupferelektrode.
Die zürückbleibenden Elektronen halten die austretenden Cu²⁺Ionen jedoch an der Kupferoberfläche fest und verhindern eine Verteilung in der Kupfersulfatlösung. Es entstehen an der Kupferoberfläche ebenfalls zwei Schichten mit entgegengesetzer elektrischer Ladung.

elektrochemische Doppelschicht
beim Daniell Element

An der Kupferelektrode bilden sich also wesentlich weniger Ionen und damit auch Elektronen als an der der Zinkelektrode, da Kupfer eine geringere Tendenz hat, in den Ionenzustand überzugehen..
Im Kupfer herrscht ein geringerer Elektronendruck als im Zink.

Daniell Element: Doppelschicht aus Elektronen und Zinkionen an der Kupferelektrode

Elektrochemische Doppelschicht
bei Kupfer

Elektrochemische Doppelschicht
bei Zink

Verbindet man die beiden Metalle Zink und Kupfer mit einem Draht, so gleicht sich dieser unterschiedliche Elektronendurck aus und es fließen Elektronen vom Zink zum Kupfer.
Durch diesen Elektronenfluss bekommt die Kupferelektrode schon bald einen Überschuss an Elektronen.

An der Kupferlektrode haftende Cu²⁺Ionen nehmen Elektronen auf und werden zu elementarem Kupfer.
Zinkelektroden werden durch die abfließenden Elektronen nicht mehr an der Zinkoberfläche festgehalten und verteilen sich nun in der Zinksulfatlösung.

Der dadurch resultierende positive Ladungsüberschuss in der Zinkhalbzelle wird dadurch ausgeglichen, dass SO₄^2- Ionen aus der Kupferhalbzelle in die Zinkhalbzelle durch das Diaphragma hindurchdiffundieren.

Durch das Abwandern der SO₄^2- Ionen entsteht rasch ein Überschuss an Cu²⁺Ionen. Dieser Überschuss an positiver Ladung in der Kupferhalbzelle wird dadurch ausgeglichen, dass ständig Cu²⁺Ionen aus der Lösung an der Kupferelektrode Elektronen aufnehmen und dort einen Überzug an elementarem Kupfer bilden.

Ladungsausgleich
während des Daniell- Element