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Elektrochemie LK NRW: Daniell-Element & Galvanische Zelle einfach erklärt

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Elektrochemie LK NRW: Daniell-Element & Galvanische Zelle einfach erklärt
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Das Daniell-Element ist eine wichtige galvanische Zelle in der Elektrochemie. Es besteht aus einer Zink-Halbzelle und einer Kupfer-Halbzelle, die durch ein Diaphragma getrennt sind. An der Anode findet eine Oxidation von Zink statt, während an der Kathode Kupferionen reduziert werden. Dieser Prozess erzeugt einen Elektronenfluss und somit elektrischen Strom. Die Spannung der galvanischen Zelle kann mithilfe der Nernst-Gleichung berechnet werden. Neben dem Daniell-Element werden auch die Voltasäule und Konzentrationselemente als wichtige elektrochemische Zellen vorgestellt.

4.4.2023

3485

Konzentrationselemente und ihre Besonderheiten

Konzentrationselemente sind galvanische Zellen, bei denen beide Halbzellen aus dem gleichen Metall und der gleichen Elektrolytlösung bestehen, jedoch in unterschiedlichen Konzentrationen.

Definition: Ein Konzentrationselement nutzt den Konzentrationsunterschied eines Elektrolyten in zwei Halbzellen zur Stromerzeugung.

Aufbau eines typischen Konzentrationselements:

  • Zwei Zinkelektroden
  • Zwei Zinksulfat-Lösungen unterschiedlicher Konzentration
  • Getrennt durch ein Diaphragma

Die Funktionsweise basiert auf dem Prinzip von Le Chatelier:

  • Auf der Seite mit der niedrigeren Konzentration gehen mehr Metallatome in Lösung.
  • Dies führt zu einem Elektronenfluss von der Seite mit der höheren zur Seite mit der niedrigeren Konzentration.

Highlight: Konzentrationselemente demonstrieren, wie Konzentrationsunterschiede in elektrochemische Energie umgewandelt werden können.

Aufbau Daniell-Element:
Zinkstab
(Anode)-
Zinksulfat-
Lösung
(Elektrolyt)
++20²0
SO₂2
(M)
Diaphragma
-Motor
(√²+
←sa₂²
+00+
+00
+O O
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Voltasäule und ihre Bedeutung

Die Voltasäule, entwickelt von Alessandro Volta im 19. Jahrhundert, war ein Vorläufer der modernen Batterie. Sie besteht aus gestapelten Voltaelementen, die jeweils aus Zink- und Kupferplatten bestehen, getrennt durch elektrolytgetränkte Pappstücke oder Leder.

Definition: Die Voltasäule ist eine frühe Form der elektrochemischen Zelle, die durch Stapelung mehrerer Elemente eine höhere Spannung erzeugt.

Funktionsweise der Voltasäule:

  1. Am Minuspol findet die Oxidation des unedleren Metalls (Zink) statt.
  2. Am Pluspol erfolgt die Reduktion, entweder von Kupferionen oder Luftsauerstoff.

Highlight: Die Voltasäule ermöglichte erstmals die kontinuierliche Erzeugung von elektrischem Strom und war entscheidend für die Erforschung der Elektrizität.

Aufbau Daniell-Element:
Zinkstab
(Anode)-
Zinksulfat-
Lösung
(Elektrolyt)
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(√²+
←sa₂²
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Aufbau und Funktionsweise des Daniell-Elements

Das Daniell-Element ist ein klassisches Beispiel für eine galvanische Zelle. Es besteht aus zwei Halbzellen: einer Zink-Halbzelle (Anode) und einer Kupfer-Halbzelle (Kathode). Diese sind durch ein Diaphragma voneinander getrennt.

Definition: Ein Daniell-Element ist eine elektrochemische Zelle, die aus einer Zink-Anode in Zinksulfat-Lösung und einer Kupfer-Kathode in Kupfersulfat-Lösung besteht.

Die Funktionsweise basiert auf dem Prinzip der Redoxreaktion:

  1. An der Anode lösen sich Zink-Atome als Zn²⁺-Ionen, wobei Elektronen freigesetzt werden.
  2. Diese Elektronen fließen über einen externen Leiter zur Kathode.
  3. An der Kathode werden Cu²⁺-Ionen zu elementarem Kupfer reduziert.

Highlight: Die Anode fungiert als Elektronen-Donator, während die Kathode als Elektronen-Akzeptor dient.

Um das entstehende Ladungsgefälle auszugleichen, wandern Ionen durch das Diaphragma zwischen den Halbzellen.

Vocabulary: Die elektrochemische Doppelschicht ist der Bereich zwischen Metall und Lösung, in dem sich positive und negative Ladungsträger ansammeln.

Aufbau Daniell-Element:
Zinkstab
(Anode)-
Zinksulfat-
Lösung
(Elektrolyt)
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(M)
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-Motor
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Spannung Galvanischer Zellen und Berechnung

Die Spannung einer galvanischen Zelle, auch Zellspannung genannt, ergibt sich aus der Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode. Sie kann unter Standardbedingungen wie folgt berechnet werden:

ΔE = E°(Kathode) - E°(Anode)

Example: Für ein Daniell-Element (Zn/Zn²⁺//Cu²⁺/Cu) beträgt die Standardzellspannung: ΔE = 0,34 V - (-0,76 V) = 1,1 V

Für Bedingungen außerhalb des Standardzustands wird die Nernst-Gleichung verwendet:

E = E° + 0,059 V · lg [Ox]/[Red]

Highlight: Die Nernst-Gleichung ermöglicht die Berechnung der Zellspannung unter verschiedenen Konzentrationsbedingungen.

Die elektrochemische Spannungsreihe gibt einen Überblick über die Standardpotentiale verschiedener Redoxpaare. Sie hilft bei der Vorhersage, ob eine Redoxreaktion spontan abläuft.

Vocabulary: Die Bergab-Regel besagt, dass das in der Spannungsreihe höher stehende Reduktionsmittel immer das tiefer stehende Oxidationsmittel reduziert.

Aufbau Daniell-Element:
Zinkstab
(Anode)-
Zinksulfat-
Lösung
(Elektrolyt)
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(M)
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(√²+
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Das Daniell-Element ist eine wichtige galvanische Zelle in der Elektrochemie. Es besteht aus einer Zink-Halbzelle und einer Kupfer-Halbzelle, die durch ein Diaphragma getrennt sind. An der Anode findet eine Oxidation von Zink statt, während an der Kathode Kupferionen reduziert werden. Dieser Prozess erzeugt einen Elektronenfluss und somit elektrischen Strom. Die Spannung der galvanischen Zelle kann mithilfe der Nernst-Gleichung berechnet werden. Neben dem Daniell-Element werden auch die Voltasäule und Konzentrationselemente als wichtige elektrochemische Zellen vorgestellt.

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Konzentrationselemente und ihre Besonderheiten

Konzentrationselemente sind galvanische Zellen, bei denen beide Halbzellen aus dem gleichen Metall und der gleichen Elektrolytlösung bestehen, jedoch in unterschiedlichen Konzentrationen.

Definition: Ein Konzentrationselement nutzt den Konzentrationsunterschied eines Elektrolyten in zwei Halbzellen zur Stromerzeugung.

Aufbau eines typischen Konzentrationselements:

  • Zwei Zinkelektroden
  • Zwei Zinksulfat-Lösungen unterschiedlicher Konzentration
  • Getrennt durch ein Diaphragma

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  • Auf der Seite mit der niedrigeren Konzentration gehen mehr Metallatome in Lösung.
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Voltasäule und ihre Bedeutung

Die Voltasäule, entwickelt von Alessandro Volta im 19. Jahrhundert, war ein Vorläufer der modernen Batterie. Sie besteht aus gestapelten Voltaelementen, die jeweils aus Zink- und Kupferplatten bestehen, getrennt durch elektrolytgetränkte Pappstücke oder Leder.

Definition: Die Voltasäule ist eine frühe Form der elektrochemischen Zelle, die durch Stapelung mehrerer Elemente eine höhere Spannung erzeugt.

Funktionsweise der Voltasäule:

  1. Am Minuspol findet die Oxidation des unedleren Metalls (Zink) statt.
  2. Am Pluspol erfolgt die Reduktion, entweder von Kupferionen oder Luftsauerstoff.

Highlight: Die Voltasäule ermöglichte erstmals die kontinuierliche Erzeugung von elektrischem Strom und war entscheidend für die Erforschung der Elektrizität.

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Aufbau und Funktionsweise des Daniell-Elements

Das Daniell-Element ist ein klassisches Beispiel für eine galvanische Zelle. Es besteht aus zwei Halbzellen: einer Zink-Halbzelle (Anode) und einer Kupfer-Halbzelle (Kathode). Diese sind durch ein Diaphragma voneinander getrennt.

Definition: Ein Daniell-Element ist eine elektrochemische Zelle, die aus einer Zink-Anode in Zinksulfat-Lösung und einer Kupfer-Kathode in Kupfersulfat-Lösung besteht.

Die Funktionsweise basiert auf dem Prinzip der Redoxreaktion:

  1. An der Anode lösen sich Zink-Atome als Zn²⁺-Ionen, wobei Elektronen freigesetzt werden.
  2. Diese Elektronen fließen über einen externen Leiter zur Kathode.
  3. An der Kathode werden Cu²⁺-Ionen zu elementarem Kupfer reduziert.

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Vocabulary: Die elektrochemische Doppelschicht ist der Bereich zwischen Metall und Lösung, in dem sich positive und negative Ladungsträger ansammeln.

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Spannung Galvanischer Zellen und Berechnung

Die Spannung einer galvanischen Zelle, auch Zellspannung genannt, ergibt sich aus der Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode. Sie kann unter Standardbedingungen wie folgt berechnet werden:

ΔE = E°(Kathode) - E°(Anode)

Example: Für ein Daniell-Element (Zn/Zn²⁺//Cu²⁺/Cu) beträgt die Standardzellspannung: ΔE = 0,34 V - (-0,76 V) = 1,1 V

Für Bedingungen außerhalb des Standardzustands wird die Nernst-Gleichung verwendet:

E = E° + 0,059 V · lg [Ox]/[Red]

Highlight: Die Nernst-Gleichung ermöglicht die Berechnung der Zellspannung unter verschiedenen Konzentrationsbedingungen.

Die elektrochemische Spannungsreihe gibt einen Überblick über die Standardpotentiale verschiedener Redoxpaare. Sie hilft bei der Vorhersage, ob eine Redoxreaktion spontan abläuft.

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