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Elektrochemie

Galvanische Zellen

Die Galvanispannung an der Phasentrennfläche Metall/Metallion ist durch direkte Messungen schwer zugänglich. Ein indirekter Weg ist jedoch möglich wie das folgende Beispiel der Reaktion

Cu2++ Zn Cu+ Zn2+

zeigt.

Abb.1
Messung der EMK (Daniell-Element)

Wir trennen die Reaktionspartner des Experiments, indem wir zwei Gefäße benutzen. Wir füllen einen Tontopf mit ZnSO4-Lösung und tauchen einen Zn-Stab in die Lösung. Das Gleiche tun wir mit einem großen Becherglas CuSO4-Lösung und einem Cu-Stab. Dann stellen wir den Tontopf in das Becherglas. Um eine Vermischung der beiden Lösungen (und damit eine spontane Reaktion) zu vermeiden, haben wir eine poröse Wand (Tontopf) verwendet, durch die Ionen und Wasserteilchen diffundieren können, die aber eine Vermischung durch Konvektion verhindert. Diese spezielle Reaktion zwischen Cu/Zn-Metall und -Lösungen wird „Daniell-Element” genannt.

Verbinden wir nun die beiden Metallenden, so fließt ein elektrischer Strom, der durch die Umsetzung von Cu2+ zu Cu (rechts) und Zn zu Zn2+ (links) verursacht wird. Die obige Reaktion „verläuft” nun in zwei örtlich getrennten Teilschritten (=Halbreaktionen):

Zn Zn2++ 2e
Cu2++ 2e Cu

Addiert man beide Teilreaktionen, so resultiert die Bruttoreaktion:

Cu2++ Zn Cu+ Zn2+

Zur Verdeutlichung des Elektronentransports soll folgende Animation dienen:

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Abb.2
Animation einer galvanischen Zelle mit dem Aufbau: Metallplatte | Lösung | | Lösung | Metallplatte

Die Abläufe der Vorgänge im Einzelnen:

  1. Der Schieberegler gibt den Weg frei (d.h. es wird eine elektrische Verbindung zu den beiden Metallplatten geschlossen). Es werden zwei Elektronen des Zn in den elektrischen Leiter (Verbindungsdraht) abgegeben, die in der gegenüberliegenden Zelle mit einem Cu2+ -Ion zu Cu reagieren.
  2. Das Zn2+ -Ion wandert aus dem Metall in die Lösung, während das Cu2+ -Ion aus der Lösung als Kppfer an der Kupfer-Platte abscheidet. Ein Ladungsunterschied hat sich an den Polen (den Metallstücken) gebildet, weil auf der linken Seite zwei Elektronen fehlen, während auf der rechten Seite zwei Elektronen hinzugekommen sind.
  3. Der Ladungsausgleich kann nur über die ionendurchlässige Membran passieren (Poren angedeutet).
  4. a. Ein Kupfer-Ion schafft den Ladungsausgleich. b. Ein Sulfat-Ion schafft den Ladungsausgleich. (Beachte: In der Animation ist das Cu -Ion wieder an seinem Platz).

Unterbrechen wir die Verbindung der beiden Metallenden, so ist der Stromkreis offen und die Halbreaktionen laufen nicht mehr ab. Die Reaktivität des Cu/Zn-Systems macht sich nun in einer Spannung zwischen den beiden Metallstücken bemerkbar. Sie lässt sich mit einem Voltmeter messen, allerdings ist dabei zu beachten, dass der Vorgang der Spannungsmessung die zu messende Spannung verfälscht, wenn der Innenwiderstand des Messinstruments nicht hoch genug ist (oder anders ausgedrückt: wenn während der Messung ein zu hoher Strom fließt). Bedenke den Extremfall: Ein Messinstrument mit dem Innenwiderstand Null bedeutet Kurzschluss zwischen den beiden Metallenden. Daraus resultiert eine Spannung von null. Die heutige Messtechnik bietet Instrumente mit genügend hohem Innenwiderstand, so dass die gemessene Spannung praktisch gleich jener ist, die an den offenen Metallenden auftritt. Man bezeichnet sie als „elektromotorische Kraft” oder kurz gesprochen EMK mit dem Symbol E . (Beachte: in englischen Büchern wird sie mit EMF, electromotive force abgekürzt.)

Hinweis
Bei der Messung elektromotorischer Kräfte, ist der Aufbau und die Verkabelung des Messgerätes von besonderer Bedeutung. Wie wir noch sehen werden, kann die gemessene Spannung „negativ” sein, wenn der Plus- und Minuspol vertauscht wurde. Man muss sich hierfür immer überlegen, welche Halbzelle in einer galvanischen Zelle den Pluspol (rotes Kabel/roter Eingang zum Voltmeter) darstellt, und welche den Minuspol (meist schwarz).
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