1 · Welche Elektrode ist beim Daniell-Element die Anode?
Lösung ansehen
Zink. Dort findet die Oxidation Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻ statt.
Chemie · Grundlagen · Sekundarstufe I
Galvanische Zellen und Daniell-Element
Wie wird aus einer chemischen Reaktion nutzbare elektrische Energie? Verfolge die beiden Halbzellen und entdecke, warum sowohl der Draht als auch die Salzbrücke nötig sind.
Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Eine Redoxreaktion liefert elektrische Energie
Zink kann Elektronen an Kupfer(II)-Ionen abgeben. Berühren sich beide Reaktionspartner direkt, findet die Übertragung am Kontakt statt. Für einen nutzbaren äußeren Strom trennt man die Teilreaktionen räumlich und verbindet sie über einen Leiter.
Eine galvanische Zelle nutzt eine unter den gegebenen Bedingungen freiwillig ablaufende Redoxreaktion zur Bereitstellung elektrischer Energie. „Freiwillig“ beschreibt dabei die thermodynamische Richtung, nicht automatisch eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit.
Das Daniell-Element besteht aus einer Zink- und einer Kupfer-Halbzelle. Jede enthält eine Metallelektrode in einer Lösung mit den zugehörigen Metallionen. Eine Salzbrücke verbindet die Lösungen, ein äußerer Stromkreis verbindet die Elektroden.
Vergleichen und entdecken
Geschlossener Kreis
Elektronen im Draht: Zink → Verbraucher → Kupfer
Links: Zink · Minuspol
Anode · Oxidation
Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻
Zinkmasse nimmt ab; Zn²⁺ entsteht.
Rechts: Kupfer · Pluspol
Kathode · Reduktion
Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu
Kupfermasse nimmt zu; Cu²⁺ wird verbraucht.
KNO₃-Salzbrücke: NO₃⁻ wandert zur Zinkseite, K⁺ zur Kupferseite.
Graues Metall: Zn. Braunes Metall: Cu. Blau: Kupfer(II)-Lösung. Oben: Leiter mit Verbraucher. Grün: Salzbrücke. Die Breiten und Farben sind schematisch, keine Mengenmessung.
Beide Wege sind geschlossen: Elektronen fließen im äußeren Leiter, Ionen sorgen im Inneren für Ladungsausgleich. Die Salzbrücke transportiert keine Elektronen.
Die Bauteile und ihre Aufgaben
Zink-Halbzelle: Ein Zinkstreifen taucht in eine Lösung mit Zn²⁺-Ionen, beispielsweise Zinksulfatlösung. Zinkatome können als Ionen in Lösung gehen und Elektronen im Metall zurücklassen.
Kupfer-Halbzelle: Ein Kupferstreifen taucht in eine Cu²⁺-haltige Lösung. Kupfer(II)-Ionen können Elektronen aufnehmen und sich als metallisches Kupfer an der Elektrode abscheiden.
Äußerer Leiter: Über Draht und einen geeigneten Verbraucher werden Elektronen von der Zink- zur Kupferelektrode übertragen. Ein hochohmiges Voltmeter kann die Spannung bei sehr geringer Strombelastung messen.
Salzbrücke: Ein geeigneter, möglichst nicht mitreagierender Elektrolyt stellt die ionische Verbindung zwischen den Lösungen her. Im Modell verwenden wir KNO₃. Die Brücke hält die Lösungen weitgehend getrennt und ermöglicht dennoch Ladungsausgleich.
Anode und Kathode anhand der Reaktion bestimmen
An der Anode findet immer die Oxidation statt. Im arbeitenden Daniell-Element ist das die Zinkelektrode. Sie liefert Elektronen und bildet den Minuspol.
Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻
An der Kathode findet immer die Reduktion statt. Hier ist das die Kupferelektrode. Kupfer(II)-Ionen nehmen Elektronen auf; diese Elektrode bildet den Pluspol.
Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu
Merke zuerst die Reaktionstypen: Anode = Oxidation, Kathode = Reduktion. Die Zuordnung „Anode = Minuspol“ gilt für den galvanischen Betrieb; bei einer Elektrolyse sind die Polvorzeichen anders. Die Begriffe Anode und Kathode bleiben über die Reaktion definiert.
Elektronenfluss ist nicht dasselbe wie Ionenwanderung
Im metallischen äußeren Leiter tragen Elektronen den Strom. Sie bewegen sich im Daniell-Element vom Zink zum Kupfer. Die technische Stromrichtung ist definitionsgemäß entgegengesetzt: außen vom Pluspol zum Minuspol.
In den Lösungen und der Salzbrücke sind bewegliche Ionen die Ladungsträger. Elektronen laufen nicht durch die Salzbrücke von einem Becher zum anderen. Die Energieumwandlung beruht auf dem Zusammenspiel von Elektrodenreaktionen und Ladungstransport.
Auf der Zinkseite entstehen zusätzliche Zn²⁺-Ionen. Negative Ionen aus der Salzbrücke, hier NO₃⁻, wandern dorthin und gleichen diese Änderung aus. Auf der Kupferseite werden Cu²⁺-Ionen verbraucht; positive K⁺-Ionen wandern nach und gleichen den entstehenden Überschuss negativer Gegenionen aus.
Die Lösungen bleiben dabei im Volumen nahezu elektrisch neutral. Plus- und Minuspol sind keine Aussage, dass der gesamte Becher dauerhaft stark positiv oder negativ geladen wäre.
Warum beide Verbindungen nötig sind
Wird der äußere Draht unterbrochen, fehlt der geschlossene Weg für Elektronen durch den Verbraucher. Es fließt kein anhaltender Betriebsstrom. Die Elektroden können trotzdem eine messbare Spannung besitzen.
Entfernt man die Salzbrücke, fehlt der dauerhafte Ladungsausgleich zwischen den Lösungen. Bereits ein kleiner weiterer Umsatz würde Ladungen trennen; das entstehende elektrische Gegenfeld hemmt die Reaktion. Der anhaltende Strom bricht zusammen.
Die interaktive Darstellung zeigt diese idealisierten Betriebszustände. Sehr kurze Lade- und Übergangseffekte, Nebenreaktionen und Selbstentladung realer Zellen sind darin nicht enthalten. „Kein anhaltender Strom“ ist präziser als die Aussage, dass unter allen Umständen überhaupt nichts mehr geschieht.
Was verändert sich beim Betrieb?
Zink wird verbraucht: Die Masse der Zinkelektrode sinkt, während Zn²⁺ in der Lösung entsteht. Kupfer wird abgeschieden: Die Masse der Kupferelektrode steigt, während die Cu²⁺-Konzentration bei sonst gleichen Bedingungen abnimmt.
Pro umgesetztem Zn-Atom wird ein Cu²⁺-Ion reduziert. Auf Stoffmengen bezogen entspricht ein Mol verbrauchtes Zink einem Mol abgeschiedenem Kupfer. Die Massen sind deshalb nicht exakt gleich, weil beide Elemente unterschiedliche molare Massen besitzen.
Beispiel: Bei einem idealisierten Umsatz von 0,010 mol nimmt die Zinkmasse um rund 0,654 g ab und die Kupfermasse um rund 0,635 g zu. Es werden 0,020 mol Elektronen übertragen. Die Angaben beschreiben eine Bilanz, keine vorgegebene Betriebsdauer.
Spannung und Stromstärke unterscheiden
Die Spannung beschreibt die Energieübertragung pro Ladung. Die Stromstärke beschreibt die Ladungsmenge pro Zeit. Eine vorhandene Spannung garantiert deshalb noch keinen Strom, wenn der Kreis offen ist.
Für das Daniell-Element beträgt die Standardzellspannung bei 25 °C ungefähr 1,10 V. Standardbedingungen beziehen sich auf definierte Aktivitäten; eine Konzentration von etwa 1 mol/L wird im Schulmodell oft näherungsweise verwendet.
Bei abweichenden Konzentrationen und unter Belastung kann eine andere Klemmenspannung gemessen werden. Innenwiderstand und Elektrodenprozesse spielen dabei eine Rolle. Die Darstellung behauptet deshalb keine konstante Stromstärke oder exakt gleichbleibende Spannung über die gesamte Betriebszeit.
Die Zelle kompakt notieren
Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu
Ein einfacher Strich markiert eine Phasengrenze, zum Beispiel zwischen Metall und Lösung. Der doppelte Strich steht hier für die Verbindung der Halbzellen durch die Salzbrücke.
Üblicherweise schreibt man die Anode links und die Kathode rechts. Bei genaueren Angaben ergänzt man Zustände, Aktivitäten oder Konzentrationen. Die Kurzschreibweise ersetzt keine vollständig beschriftete Versuchsskizze, hilft aber beim geordneten Vergleich von Zellen.
Unterrichtsimpuls: Fehler im Stromweg finden
Zeige den geschlossenen Kreis. Lass zwei Lernende getrennt den Weg der Elektronen und den Ladungsausgleich durch Ionen erklären. Unterbrich danach zuerst den Draht und entferne anschließend die Salzbrücke. Frage in beiden Fällen, welcher Transport fehlt und ob eine Spannung grundsätzlich trotzdem möglich sein kann.
Sechs Aufgaben zum Selbstcheck
Erst selbst lösen, dann die Lösung öffnen.
2 · In welche Richtung fließen Elektronen im äußeren Leiter?
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Von der Zinkelektrode über den äußeren Stromkreis zur Kupferelektrode.
3 · Transportiert die Salzbrücke Elektronen?
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Nein. In der Salzbrücke tragen Ionen die Ladung.
4 · Wohin wandern K⁺-Ionen aus der modellierten Salzbrücke?
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Zur Kupfer-Halbzelle, wo Cu²⁺-Ionen verbraucht werden.
5 · Was geschieht mit den Elektrodenmassen?
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Die Zinkmasse nimmt ab; die Kupfermasse nimmt zu.
6 · Draht offen: Muss die Spannung null sein?
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Nein. Ohne anhaltenden Strom kann weiterhin eine Spannung zwischen den Elektroden bestehen.
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