Daniell-Element

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Beim Daniell-Element (auch „Daniell'sches Element“), benannt nach John Frederic Daniell, handelt es sich um eine galvanische Zelle. Diese Sonderform basiert auf der Kombination der beiden Redoxpaare Zink-Atome / Zinkionen und Kupfer-Atome/Kupferionen.

[Bearbeiten] Typischer (modellhafter) Aufbau

Ein Kupferstab und ein Zinkstab werden in ihre entsprechenden Ionenlösungen (z. B. Kupfersulfat und Zinksulfat) gestellt und leitend miteinander verbunden. (Alternativ können auch ein Tonzylinder, oder ein spezielles U-Rohr mit Diaphragma verwendet werden).

Es liegen 2 Redoxpaare (Cu/Cu²⁺ sowie Zn/Zn²⁺) vor.

Die Reaktion kommt dann zustande, wenn beide Teilsysteme elektrisch (Draht zwischen den Elektroden, dem Elektronenleiter) und elektrolytisch (Salzbrücke, auch Stromschlüssel oder Ionenleiter genannt, oder Diaphragma (z.B. durchlässige Tonwand) zwischen den Lösungen) verbunden sind. Die Salzbrücke bzw. das Diaphragma dient dazu, die Durchmischung der Lösungen zu verhindern und dennoch einen Ladungsausgleich zu ermöglichen.

Eine Salzbrücke besteht aus einem Rohr, das mit einer Salzlösung - KCl ist z.B. aufgrund seiner guten Löslichkeit gut geeignet - gefüllt ist. Die Enden des Rohres werden mit Watte verschlossen, sodass Ionen zum Ladungsausgleich hindurchdiffundieren können, jedoch keine Strömung stattfinden kann.

[Bearbeiten] Funktionsweise

1. Kupfer ist edler als Zink; d.h. die Lösungstension von Zink ist größer. Deshalb gehen am Kupferstab nur wenige Kupferionen in Lösung, während sich am Zinkstab viele Zinkionen ablösen und ihre Elektronen im Metall zurücklassen. Die Kupferelektrode ist deshalb positiver geladen als der Zinkstab, d.h. es baut sich eine Spannung auf.

2. Die überschüssigen Elektronen im Zink wandern über einen Leiter vom Zink zum Kupfer. Dabei lässt sich (bei Standardbedingungen) eine Spannung von 1,11 Volt messen. Diese ist die Elektromotorische Kraft, die sich aus dem Redoxpotenzial von Kupfer (E₀(Cu) = + 0,34 V) und dem von Zink (E₀(Zn) = -0,76 V) zusammensetzt. Siehe [1]

3. Die gelösten Kupferionen nehmen die Elektronen auf und lagern sich als Kupfer an der Elektrode ab.

4. Da auf der einen Seite positive Zinkionen in Lösung gehen und sich auf der anderen Seite Kupferionen ablagern, muss ein Ladungsausgleich stattfinden; dies geschieht über die Salzbrücke. So wird der Stromkreis geschlossen.

Oxidation: $\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2 e^{-}}$

Reduktion: $\mathrm{Cu^{2+} + 2 e^{-} \rightarrow Cu}$

Gesamtreaktion (Redox-Reaktion): $\mathrm{Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu}$

Zellendiagramm: Zn/Zn²⁺//Cu²⁺/Cu

Die beiden Teilvorgänge der Redoxreaktion können also räumlich getrennt werden. Die Elektronen gehen also nicht direkt vom System Zn/Zn²⁺ auf das System Cu/Cu²⁺ über, sondern wandern zuerst über einen Draht vom Zn zum Cu. Es fließt ein Elektronenstrom.

Die beiden getrennten Teilsysteme nennt man „Halbzellen“.

Die Zinkelektrode löst sich also mit der Zeit auf, während die Kupferelektrode schwerer wird.

Das Daniell-Element liefert, wie oben beschrieben, eine Spannung von 1,11 Volt.

Beim Daniell-Element - wie bei allen galvanischen Zellen - stellt die Anode den Minuspol dar, die Kathode den Pluspol.

Es gilt folgende Zuordnung:

Anode: Elektrode, an der Teilchen oxidiert werden.

Kathode: Elektrode, an der Teilchen reduziert werden.

Eselsbrücke: An-o-de: An Oxidation denken.

Oder: O-M-A (Oxidation, Minuspol, Anode)