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Transkript Die galvanische Zelle

Hallo und herzlich willkommen!

Das heutige Thema lautet: "Die galvanische Zelle". Nach dem Video weißt du, was eine galvanische Zelle ist, wie eine galvanische Zelle funktioniert und wo galvanische Zellen eingesetzt werden. Um das Video richtig zu verstehen, solltest du allerdings bereits wissen, was man unter Oxidation, Reduktion und Redoxreaktion versteht.

Zunächst zur ganz allgemeinen Definition einer galvanischen Zelle, die man auch galvanisches Element nennt. Eine galvanische Zelle ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie unter Ausnutzung von Redoxreaktionen. Das Prinzip einer galvanischen Zelle besteht darin, den Reduktions- und den Oxidationsvorgang bei einer Redoxreaktion räumlich getrennt voneinander ablaufen zu lassen.

Das möchte ich mal ganz schematisiert an dieser Stelle darstellen. Wir haben einen Behälter, in dem die Reduktion abläuft und einen zweiten Behälter, in dem die Oxidation abläuft. Beide verbinden wir über einen elektrischen Leiter, in den ein Verbraucher geschaltet ist, z. B. eine Glühbirne, hier als Kreis mit einem X darin dargestellt. Und wir werden feststellen, dass bei Ablauf der Reaktion Elektronen von der einen Halbzelle in die andere Halbzelle wandern. Das ist ein elektrischer Strom. Und dieser elektrische Strom lässt dann z. B. unsere Glühbirne leuchten. Kurzum, galvanische Zellen werden als Gleichstromquellen eingesetzt, sprich als Batterien und Akkumulatoren. Bis hier ist das alles noch sehr allgemein.

Nun wollen wir die Vorgänge in einer galvanischen Zelle mal genauer unter die Lupe nehmen, und zwar anhand eines konkreten Beispiels, des sogenannten Daniell-Elements. Das Daniell-Element funktioniert folgendermaßen: Wir nehmen zwei Behälter und füllen sie mit Wasser. Dann geben wir in den einen Behälter festes Kupersulfat und lösen es in diesem Wasser. Nun enthält dieser Behälter sowohl Kupfer-Ionen als auch Sulfat-Ionen, Cu2+ und SO42-. In den zweiten Behälter geben wir festes Zinksulfat, welches sich ebenfalls auflöst, sodass wir Zink(2+)-Ionen vorliegen haben und SO4(2-)-Ionen. In den Behälter mit dem Zinksulfat hängen wir einen Zinkblock, der an einem Draht hängt. In den Behälter mit dem Kupfersulfat hängen wir einen Kupferblock, der an einem Draht hängt. Als Nächstes verbinden wir diese beiden Drähte mit einem elektrischen Leiter, wobei wir auch hier eine Glühbirne, meinetwegen als Verbraucher dazwischenschalten. Durch diese Verbindung wird nun etwas ausgelöst in diesen beiden Behältern. Und zwar werden die Kupferionen im rechten Behälter mitbekommen, dass am anderen Ende des elektrischen Leiters dieser Zinkblock hängt und dass dieses Zink, da es unedler ist, bereit ist, seine Elektronen an das Kupfer abzugeben. Kurzum, Elektronen machen sich nun auf die Wanderschaft von links nach rechts. Das, was da abläuft, kann man nun als chemische Reaktionsgleichung niederschreiben, und zwar als zwei voneinander getrennte Reaktionsgleichungen, links eine andere als rechts. Links geben Zinkatome 2 Elektronen ab und dadurch entstehen Zink-Ionen, die in Lösung gehen. Die Elektronen wandern nach rechts, wo sie sich mit Kupfer(2+)-Ionen verbinden und Kupfermetall, also elementares Kupfer bilden. Man würde sagen: Links findet eine Oxidation von Zink statt und rechts findet eine Reduktion von Kupfer statt. In diesem Zuge entsteht links Zink(2+), also gelöstes Zink, und rechts wird das gelöste Kupfer, also die Kupfer(2+)-Ionen, weniger. Die entstehenden Zink-Ionen auf der linken Seite benötigen ein Gegenion. In diesem Falle wäre das das Sulfat. Aber da keine Sulfat-Ionen zugeführt werden, sondern nur Zink-Ionen, entsteht ein Sulfatmangel. Auf der rechten Seite ist es genau andersrum. Die Kupfer(2+)-Ionen werden immer weniger, aber die Anzahl der Sulfat-Ionen bleibt gleich. Also entsteht ein Sulfatüberschuss. Würde das immer so weiter gehen, dann würde die linke Seite positiv aufgeladen werden und die rechte Seite negativ. Dadurch würde aber die Elektronenwanderung zum Erliegen kommen, denn kein Elektron hätte Lust, von einer positiv geladenen linken Seite auf eine negativ geladene rechte Seite zu wandern, denn bekanntlich stoßen sich negativ und negativ ab.

Aus diesem Grunde muss noch eine sogenannte Salzbrücke eingefügt werden. Die Salzbrücke ist ein U-förmiges, mit Wasser gefülltes Rohr, welches in beide Teilzellen gleichzeitig eintaucht. In diesem Wasser sind auch Sulfat-Ionen gelöst, z. B. als Natriumsulfat, wobei das Natrium gar nicht interessiert, sondern eben nur das Sulfat. Im Zuge der Reaktion entsteht auf der linken Seite wie gesagt ein Sulfatmangel. Aber diese Sulfat-Ionen können nachgeliefert werden aus dieser Salzbrücke, indem sie durch die Fusion in die linke Halbzelle hineinwandern. Auf der rechten Seite passiert genau das Gleiche, bloß umgekehrt. Die überschüssigen Sulfat-Ionen wandern in die Salzbrücke hinein und damit ist der Kreislauf geschlossen. Die Elektronen wandern von links nach rechts und die Sulfat-Ionen wandern von rechts nach links. Keine Halbzelle lädt sich nun positiv oder negativ auf und es fließt beständig ein Strom. Nun kann unsere Glühbirne nach Herzenslust leuchten.

Aber halt, irgendwas passiert hier noch. Links läuft ja die Reaktion ab, dass Zinkatome sich in Zink(2+)-Ionen verwandeln. Dadurch löst sich die Zinkelektrode langsam auf, bzw. sie wird immer kleiner, während die Kupferelektrode auf der rechten Seite immer weiter wächst, weil sich dort ja bekanntlich die Kupfer-Ionen mit den Elektronen vereinigen und elementares Kupfer bilden. Irgendwann ist der Punkt erreicht, an dem die Zinkelektrode nicht mehr vorhanden ist und die Kupferelektrode riesig groß geworden ist. Und was passiert an dieser Stelle? Nun, der ganze Prozess kommt zum Erliegen. Die Reaktionen laufen nicht mehr ab, die Elektronen wandern nicht mehr, die Ionen wandern nicht mehr und unsere Lampe brennt nicht mehr. Kurzum, die Batterie ist verbraucht.

Aber es gibt noch eine Möglichkeit, das Ganze wieder in Gang zu bringen. Und zwar muss man die Batterie dafür aufladen. Und das geschieht folgendermaßen: Wir unterbrechen die Verbindung zwischen den beiden Metallelektroden und schließen stattdessen die Zinkelektrode an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle an und die Kupferelektrode an den positiven Pol dieser Gleichspannungsquelle. Auf der linken Seite beginnen nun Elektronen zur Zinkelektrode hinzuwandern, aus der negativen Elektrode der Spannungsquelle. Und auf der rechten Seite passiert genau das Umgekehrte: Elektronen wandern vom Kupfer in die Gleichspannungsquelle. Chemisch gesehen läuft nun genau der umgekehrte Prozess ab, der zuvor abgelaufen ist. Das heißt, Zink(2+)-Ionen verbinden sich mit 2 Elektronen und werden wieder zu Zink. Und das Kupfer gibt 2 Elektronen ab und wird wieder zum Kupfer(2+). Auf diese Weise entsteht auf der linken Seite nach und nach wieder neues metallisches Zink und auf der rechten Seite wird nach und nach metallisches Kupfer abgebaut. Die Elektrode links wächst und die Elektrode rechts schrumpft wieder. Auch die Sulfat-Ionen wandern wieder durch die Salzbrücke, allerdings diesmal von links nach rechts, weil sie ja auf der rechten Seite gebraucht werden und auf der linken nicht mehr. Auf diese Weise entsteht irgendwann wieder der Zustand, der ganz am Anfang herrschte. Wir haben eine wieder aufgeladene Batterie. Jetzt können wir die beiden Elektroden wieder miteinander verbinden und der ganze Prozess läuft wieder so ab, wie am Anfang und unsere Lampe leuchtet wieder. Zusammengefasst kann man also sagen: Wir können das Daniell-Element entladen und wir können es aufladen.

Bei der Entladung läuft auf der linken Seite die Reaktion ab: Zink→Zink(2+) und 2 Eletronen und auf der rechten Seite die Reaktion: Kupfer(2+)+2 Eletronen→Cu. Und diese beiden Gleichungen kann man zu einer Gleichung zusammenfassen, indem man als Gesamtgleichung formuliert: Zink+Kupfer(2)→Zink(2+)+Kupfer. Naja, und beim Aufladen ist es genau umgekehrt: Zink(2+)+2 Elektronen→Zink, Kupfer→Kupfer(2+)+2 Elektronen. Gesamtgleichung wäre dann: Zink(2+)+Kupfer→Zink+Kupfer(2+). Und auch diese beiden Prozesse können wir wieder in einer Gleichung zusammenfassen, die da lautet: Zink+Kupfer(2+)→Zink(2+)+Kupfer. Und da die Reaktion in beide Richtungen ablaufen kann, verwenden wir einen Doppelpfeil. Der Prozess von links nach rechts entspricht der Entladung und die Reaktion von rechts nach links entspricht der Aufladung. Die Entladung erfolgt unter Energieabgabe und das ist dann die Energie, die unsere Glühbirne leuchten lässt. Und die Aufladung erfolgt unter Energieaufnahme. Das ist die Energie, die wir aus unserer Spannungsquelle in die Batterie einspeisen müssen.

Um vielleicht noch einmal zu verdeutlichen, warum das alles abläuft, kann man sagen: Kupfer entzieht dem Zink spontan Elektronen, da es edler ist, also Kupfer ist das edlere Metall. Das ist sozusagen der Prozess, der bei der Entladung abläuft. Und bei der Aufladung läuft ab, dass das Zink dem Kupfer nur mit äußerer Hilfe Elektronen entziehen kann. Und diese äußere Hilfe ist dann sozusagen unsere Spannungsquelle, die wir von außen anschließen. So viel also zur Funktionsweise des Daniell-Elements.

Allerdings: Das Daniell-Element ist natürlich nur ein Beispiel für eine galvanische Zelle. Es gibt sehr viele verschiedene Sorten von galvanischen Zellen, die allerdings alle demselben Prinzip folgen: Oxidation und Reduktion laufen räumlich getrennt voneinander ab. Der Elektronenfluss kann so genutzt werden.

Und damit wären wir auch schon am Ende des Videos angelangt, in dem wir besprochen haben, was eine galvanische Zelle ganz allgemein ist, wie eine galvanische Zelle funktioniert, und zwar anhand eines Beispiels, des sogenannten Daniell-Elements. Und außerdem haben wir besprochen, wo das Prinzip des galvanischen Elements nutzbringend eingesetzt wird, nämlich in jeder Batterie und in jedem Akkumulator.

Vielen Dank fürs Zuschauen. Tschüss und bis zum nächsten Mal!  

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45 Kommentare
  1. Default

    sehr gut erklärt, hab es jetzt verstanden:)

    Von Thne2001, vor 6 Monaten
  2. Cap smiley

    Danke für dieses geniale Video :D

    Von The Boss T., vor 8 Monaten
  3. Default

    Super erklärt danke :)

    Von Jenneka87, vor 9 Monaten
  4. L%c3%a4cheln2

    Eine galvanische Zelle, galvanisches Element oder galvanische Kette ist eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie.

    Von Götz Vollweiler, vor 10 Monaten
  5. Default

    Was ist eine galvanische Zelle?

    Von Marianaholanda, vor 10 Monaten
  1. Default

    Sehr schön erklärt

    Von Sunnyyeu889, vor 11 Monaten
  2. Default

    Super!! Eine ganz andere Perspektive bekommen als im Chemie-Unterricht! V.a. die Erklärung, weshalb die Reaktion überhaupt abläuft hat mir gefallen (Entladen: Cu entzieht Zn die Elektronen & beim Aufladen: "mit äusserer Hilfe" 10:10)

    Von Jutschu, vor etwa einem Jahr
  3. Default

    Danke, es geht wieder, hat wohl nur meine Pc gestern abend gestreikt. Sehr gutes Video!!! Herzl. Grüße

    Von Daniela Strothmann, vor mehr als einem Jahr
  4. L%c3%a4cheln2

    Bei mir läufts korrekt.

    Von Götz Vollweiler, vor mehr als einem Jahr
  5. Default

    Störung bei 6 46, alles schwarz. Liegt´s an meinem PC ??

    Von Daniela Strothmann, vor mehr als einem Jahr
  6. Default

    Danke!!!! Super video

    Von Saramaggi, vor mehr als einem Jahr
  7. Washington cities 2200

    das video hat mir soviel weiter geholfen ich kann mich blos bei dir bedanken dr Götz Vollweller.

    Von Omar Faris4, vor mehr als einem Jahr
  8. Default

    als alternative dafür gäbe es noch das diaphragma, hätte ich an deiner stelle noch erwähnt!
    aber top erklärung :)

    Von Lolakoller, vor fast 2 Jahren
  9. Default

    Das ist mit Abstand das beste Video mit der besten Erklärung. Mein Lehrer kann da leider nicht mithalten. Vielen Dank! :)

    Von Maikwiegand, vor fast 2 Jahren
  10. Default

    Da ich einige Videos mitschreibe,wäre es schön,wenn es diese auch als Skript gäbe.Ansonsten wirklich sehr lehrreich erklärt.

    Von Hanscordes, vor etwa 2 Jahren
  11. Default

    Sehr gut erklärt!

    Von David Rentzsch, vor etwa 2 Jahren
  12. L%c3%a4cheln2

    Einerseits Nickel und ein lösliches Nickelsalz, etwa Nickelchlorid, und andererseits die sogenannte "Wasserstoffelektrode": Wasserstoffgas, das entlang einer Platinelektrode in einer Säure (HCl)hochperlt.

    Von Götz Vollweiler, vor mehr als 2 Jahren
  13. Default

    ja wie ist es wenn ich das ganze mit nickel un wasserstoff mach was befindet sich jeweils in den halbzellen ?

    Von Siyar Y., vor mehr als 2 Jahren
  14. Default

    sehr gut erklärt!!!!

    Von Antoni29, vor mehr als 2 Jahren
  15. L%c3%a4cheln2

    Theoretisch kann man jeden Prozess auch rückwärts ablaufen lassen - aber nicht immer in der Realität.

    Wann man das kann, hängt von der verwendeten Zelle ab, bzw. von den Reaktionen, die da ablaufen. Bei manchen geht es, bei manchen aus technischen Gründen nicht.

    Gemeinhin kann man Batterien nicht aufladen, aber bei Akkumulatoren - das sind wiederaufladbare Batterien - geht es.

    Von Götz Vollweiler, vor mehr als 2 Jahren
  16. Default

    ich dachte man kann batterien nicht wieder aufladen ?

    Von Laudamju, vor mehr als 2 Jahren
  17. L%c3%a4cheln2

    Ein Diaphpragma ist eine poröse Wand, die die Durchmischung der Lösungen verhindert, dabei aber die Wanderung von Ionen ermöglicht. Es erfüllt somit dieselbe Funktion wie die Salzbrücke. Beides kann man verwenden.

    Von Götz Vollweiler, vor fast 3 Jahren
  18. Default

    wir haben in der Schule gelernt, dass man das in einem Behälter "leert" und dazwischen sich ein Diaphragma befindet. Was stimmt?

    Von Vivienne Trewin, vor fast 3 Jahren
  19. Default

    Sehr gutes Video v.a. die Erklärung der Salzbrücke

    Von Niveavanille, vor fast 3 Jahren
  20. Default

    Können Sie auch ein Video über die Funktion des Lithium Ionen Akkumulators machen? Ich verstehe das nämlich nirgens... und Sie erklären das super gut!!
    LG

    Von Kstephan, vor fast 3 Jahren
  21. Child learning difficulty 2591459

    Danke =)

    Von Larswieland96, vor fast 3 Jahren
  22. L%c3%a4cheln2

    Beim Bleiakkumulator (der "Autobatterie") werden für Kathode und Anode Feststoffe mit demselben Metall (Pb) in unterschiedlichen Oxidationsstufen (elementares Blei Pb und Bleioxid Pb4+)verwendet. Deshalb kann man beide Halbzellen mit demselben Elektrolyt (Schwefelsäure/Pb2+ -Lösung) füllen, in dem das Blei in mittlerer Oxisationsstufe vorliegt. Da nun beide Halbzellen denselben Elektrolyten enthalten, benötigt man keine Trennwand.

    Dennoch ist das Prinzip exakt dasselbe.

    Von Götz Vollweiler, vor fast 3 Jahren
  23. Child learning difficulty 2591459

    Autobatterien also Akkumulatoren sind die zellen nicht getrennt !
    ????? Verwirrt mich

    Von Larswieland96, vor fast 3 Jahren
  24. Default

    GUT

    Von Christoph Grünwald, vor etwa 3 Jahren
  25. Spellbookofjudgment

    gut

    Von Bilal Baroud, vor mehr als 3 Jahren
  26. L%c3%a4cheln2

    Beides stimmt.

    Von Götz Vollweiler, vor mehr als 3 Jahren
  27. Default

    Bei 1:45 sagst Du, galvanische Zellen würden als Gleichstromquellen eingesetzt werden. Sind es nicht Gleichspannungsquellen ?

    Von Benjamin R., vor mehr als 3 Jahren
  28. Foto%20am%2015.09.11%20um%2022.38

    Sehr gut, vielen Dank!

    Von Mirella C., vor mehr als 3 Jahren
  29. Default

    extrem gut erklärt!

    Von Maximilian123, vor mehr als 3 Jahren
  30. Default

    vielen vielen dank =) vielleicht könntest du noch ergänzen was anode und was kathode ist, da das ja hier im gegensatz zur elektolyse andersrum ist. hast mir aber echt geholfen =)

    Von Peter Drogis, vor fast 4 Jahren
  31. Jan philipp

    Hallo Fabienne,
    ich freue mich, dass ich dir helfen konnte. Vielen Dank auch noch mal für deine Anmerkung. Ich werde das bei zukünftigen Filmen mehr berücksichtigen.
    Liebe Grüße
    Jan Philip

    Von Jan Philip Schellenberg, vor fast 4 Jahren
  32. Default

    Hallo Jan Philip
    Danke für den Link. Ich habe tatsächtlich das Bild falsch interpretiert und mir vorgestellt, der Draht sei an der Platte so angeschlossen, dass er in die Lösung hineinreicht, dabei ragt das Ganze aus der Lösung hinaus. Danke, nun verstehe ich das endlich :)
    Liebe Grüsse Fabienne

    Von Fabienne Kron, vor fast 4 Jahren
  33. Jan philipp

    Hallo Fabienne,
    ich sehe leider nicht an welcher Stelle in diesem Video ein Kupferdraht auf der linken Seite in die Zinksulfatlösung eingetaucht wird. Falls du denkst, dass das Zinkplättchen an einem Kupferdraht befestigt ist, ist das leider falsch. Es wird nur das Zinkplättchen in die Zinksulfatlösung eingetaucht.
    Auf dieser Seite findest du ein Bild, wie der Versuch aussieht: http://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC1/Kap_VI/Galv_Abb2.jpg
    Ich hoffe ich konnte dir helfen, ansonsten schreibe mir bitte an welcher Stelle genau du den Kupferdraht in der Lösung siehst.
    Viele Grüße
    Jan Philip

    Von Jan Philip Schellenberg, vor fast 4 Jahren
  34. Default

    Was passiert mit dem Kupferdraht, der in die Lösung links mit dem Zink eingetaucht wird? Beeinflusst der irgend etwas?

    Von Fabienne Kron, vor fast 4 Jahren
  35. Foto%20am%2015.09.11%20um%2022.38

    Sehr gutes Video, vielen Dank......

    Von Mirella C., vor fast 4 Jahren
  36. Default

    Super Tutor. Super Videos

    Von Black Brush, vor fast 4 Jahren
  37. Spellbookofjudgment

    Besser als mein Chemie Lehrer. (11.Klasse)
    Demnächst schreibe ich eine Klausur und dieses Video hat sehr geholfen!!!!
    ^_^

    Von Bilal Baroud, vor etwa 4 Jahren
  38. Default

    Genial!
    jetzt komm ich auch mit meiner Hausaufgabe zurecht :) danke!!

    Von Oneiropola, vor etwa 4 Jahren
  39. Default

    SUPER ERKLÄRT, VIELEN VIELEN DANK ... Und an alle Koffer wie SCHRAMMEN: Spart euch bitte eure DUMMEN Kommentare, das lenkt ab, irritiert und nervt einfach nur ...

    Von Lea10, vor etwa 4 Jahren
  40. Default

    Total super!
    Echt klasse gemacht. Hast mir soooo geholfen!!!

    Von Bs1985, vor etwa 4 Jahren
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