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Ionenwanderung in der galvanischen Zelle

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Team Wissensdurst

Ionenwanderung in der galvanischen Zelle

lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Ionenwanderung in der galvanischen Zelle

Was sind Galvanische Zellen?

Galvanische Zellen werden zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie verwendet. Sie bestehen aus zwei Halbzellen, genauer gesagt aus einer Kathode (Pluspol) und einer Anode (Minuspol), die in einem Elektrolyten stecken. Die ablaufenden elektrochemischen Reaktionen (Reduktions-Oxidations-Prozesse) liefern elektrische Energie.

Daniellelement

Das bekannteste Beispiel zur Gewinnung von elektrischer Energie ist das Daniellelement. Hier ist die Kathode ein Kupferblech, dass in eine wässrige Lösung von Kupfersulfat (Elektrolyt) getaucht wird (linke Halbzelle $Cu/Cu^{2+}$) und die Anode ein Zinkblech in einer wässrigen Zinksalzlösung (rechte Halbzelle $Zn/Zn^{2+}$).

Die Kupfer-Ionen aus der $Cu^{2+}$-Salzlösung werden an der Kathode zu Kupfer reduziert, während das unedlere Zink aus der Kathode zu $Zn^{2+}$-Ionen oxidiert wird und in die Lösung übergeht.

Reaktionen

Katode (Reduktion): $Cu^{2+}_{(aq)} + 2 e^- \rightarrow Cu_{(s)}$

Anode (Oxidation): $ Zn_{(s)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2 e^-$

Gesamtreaktion: $Zn_{(s)} + Cu^{2+}_{(aq)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + Cu_{(s)}$

Ionenwanderung

Sind die beiden Halbzellen eines Daniell-Elements leitend miteinander verbunden, findet ein Elektronenfluss von Zink zu Kupfer statt. Dieser stört die Gleichgewichte an den beiden Elektroden. Damit der Stromkreis geschlossen wird und der Stromfluss nicht zum Erliegen kommt, muss ein Ladungsausgleich zwischen den Elektrolytlösungen erfolgen können.

Galvanische_Zelle.jpg

Dies kann nun entweder durch eine Salzbrücke realisiert werden oder durch die Trennung der beiden Halbzellen nur mit einem Diaphragma. Das ist eine poröse Trennschicht, durch die bestimmte Ionen wandern können. Ohne Möglichkeit zur Ionenwanderung würde kein Ladungsausgleich stattfinden und der Elektronenfluss stoppen, da sich die Elektrolytlösungen aufladen. Durch das Diaphragma wandern die positiv geladenen Zinkionen aus der Zinkhalbzelle in die Kupferhalbzelle. Von der Kupfer-Halbzelle wandern negativ geladenen Sulfat-Ionen in die Zink-Halbzelle. Es kommt zum Ladungsausgleich in den Lösungen und der Stromkreis ist geschlossen. So kann weiterhin ein Elektronenfluss erfolgen, der erst stoppt, wenn die Zink-Elektrode vollständig verbraucht ist.

Zink-Silberoxid-Batterien

Ein weiteres Beispiel für galvanische Zellen, sind die Zink-Silberoxid-Batterien. Man findet sie als Knopfzelle in Taschenrechnern oder Armbanduhren. Hier dient früher Quecksilberoxid als Oxidationsmittel, aufgrund seiner Giftigkeit wurde das aber inzwischen durch Silberoxid ersetzt wurde. An der Anode wird Zink oxidiert. Als Elektrolyt verwendet man Kalilauge.

Reaktion: $Zn_{(s)} + Ag_2O_{(s)} \rightarrow ZnO_{(s)} + 2 Ag_{(s)}$

Transkript Ionenwanderung in der galvanischen Zelle

Wenn die Halbzellen eines Daniell-Elements leitend miteinander verbunden sind, findet ein Elektronenfluss von Zink zu Kupfer statt. Durch den Elektronenfluss werden die elektrochemischen Gleichgewichte an beiden Elektroden gestört. Damit der Stromkreis geschlossen wird und der Stromfluss nicht zum Erliegen kommt, muss ein Ladungsausgleich zwischen den Elektrolytlösungen erfolgen können. Dafür sorgt das Diaphragma. Wären die Halbzellen nicht durch die poröse Trennschicht, sondern komplett voneinander getrennt, würde folgendes passieren: An der Zinkelektrode werden Elektronen abgezogen. So entsteht hier ein Überschuss an positiver Ladung. Um das Gleichgewicht wiederherzustellen, werden also Elektronen in der Elektrode benötigt. Diese werden durch Oxidation von Zinkatomen geliefert. In der Kupferelektrode entsteht durch den Elektronenfluss hingegen kurzzeitig ein Überschuss an negativer Ladung. Um das elektrochemische Gleichgewicht wiederherzustellen, müssen hier also Elektronen verbraucht werden. Dies erfolgt durch Reduktion von Kupferionen. Durch die Oxidation von Zink reichern sich Zinkionen in der Zink-Halbzelle an. Die Elektrolytlösung der Zinkhalbzelle lädt sich dadurch positiv auf, also entgegengesetzt der negativ geladenen Zinkelektrode. In der Kupferhalbzelle führt die Reduktion von Kupferionen zu einer Anreicherung negativ geladener Sulfat-Ionen. Die Elektrolytlösung der Kupferhalbzelle lädt sich negativ auf. In der Zinkhalbzelle werden durch die positive Ladung der Elektrolytlösung Elektronen zurückgehalten. In der Kupferhalbzelle hingegen stoßen sich die negativ geladenen Sulfationen in der Elektrolytlösung und die Elektronen ab. Dies führt dazu, dass der Elektronenfluss stoppt. Damit weiterhin ein Elektronenfluss zwischen Minus- und Pluspol stattfinden kann, muss ein Ladungsausgleich in den Elektrolytlösungen erfolgen. Durch das Diaphragma wandern die Zinkionen aus der Zinkhalbzelle in die Kupferhalbzelle. Von der Kupfer-Halbzelle wandern Sulfat-Ionen in die Zink-Halbzelle. Es kommt zum Ladungsausgleich in den Lösungen und der Stromkreis ist geschlossen. So kann weiterhin ein Elektronenfluss erfolgen, der erst stoppt, wenn die Zink-Elektrode vollständig verbraucht ist. Auch in der Zink-Kohle-Batterie laufen die Redoxreaktionen so lange ab, bis das Zink vollständig aufgebraucht ist. Die Batterie ist dann leer und muss als Sondermüll entsorgt werden. Damit Paul morgen nicht wieder verschläft, hat er eine neue Batterie in seinen Wecker eingesetzt. Auch der Akku in seinem Handy ist wieder voll aufgeladen. Und zur Sicherheit hat sich Paul noch den Radiowecker seiner Mutter ausgeliehen, der an das Stromnetz angeschlossen ist. Morgen früh ist Paul sicher rechtzeitig wach und verpasst sein Fußballtraining nicht.

3 Kommentare

3 Kommentare
  1. Das ist einfach super erklärt. Durch die Animationen kann man es viel besser verstehen als wenn man es auf der Tafel aufzeichnet. Ein paar mehr Aufgaben wären allerdings wirklich nicht schlecht.

    Von Hangu, vor mehr als einem Jahr
  2. warum gibt es keine weiteren übungsaufgaben

    Von Andresbodamerstrolch, vor fast 2 Jahren
  3. sehr hilfreich!

    Von Fritz B., vor mehr als 2 Jahren

Ionenwanderung in der galvanischen Zelle Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Ionenwanderung in der galvanischen Zelle kannst du es wiederholen und üben.
  • Vervollständige die Skizze zur galvanischen Zelle.

    Tipps

    An der Kathode werden die Kupfer-Ionen reduziert.

    Ein Diaphragma ist eine poröse Trennschicht, durch die die Sulfat- und Zink-Ionen wandern können.

    Lösung

    Hier siehst du ein Daniell-Element. Es handelt sich dabei um eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht.

    In der Zink-Halbzelle befindet sich eine Zinkelektrode in einer Zinksulfatlösung. Auf der anderen Seite in der Kupfer-Halbzelle sehen wir eine Kupferelektrode in einer Kupfersulfatlösung. Wenn die Halbzellen nun leitend miteinander verbunden sind, findet ein Elektronenfluss von der Anode (Zink) zur Kathode (Kupfer) statt. Dadurch werden die elektrochemischen Gleichgewichte an beiden Elektroden gestört. Damit der Stromkreis geschlossen wird und der Stromfluss nicht stoppt, muss ein Ladungsausgleich zwischen den Elektrolytlösungen erfolgen. Dies ist durch das Diaphragma gesichert.

    An der Zinkelektrode werden Elektronen abgezogen, so entsteht hier ein Überschuss an positiver Ladung. Um das Gleichgewicht widerherzustellen, werden Elektronen benötigt. Dies geschieht durch die folgende Oxidation:

    $Zn \rightarrow Zn^{2+} +2~e^-$

    In der Kupferelektrode entsteht durch den Elektronenfluss kurzzeitig ein Überschuss an negativer Ladung. Um das Gleichgewicht herzustellen, müssen Elektronen verbraucht werden. Dies erfolgt durch die folgende Reduktion:

    $Cu^{2+} +2~e^- \rightarrow Cu$

  • Überprüfe die Aussagen zur Ionenwanderung in der galvanischen Zelle auf ihre Richtigkeit.

    Tipps

    Die Elektrolytlösung der Kupfer-Halbzelle lädt sich durch die Sulfat-Ionen negativ auf.

    Eine Kupfersulfat-Elektrolytlösung besteht aus $Cu^{2+}$-Ionen und $SO_4^{2-}$-Ionen.

    Drei Aussagen sind korrekt.

    Lösung

    Wenn die Halbzellen eines Daniell-Elements leitend miteinander verbunden sind, findet ein Elektronenfluss von Zink zu Kupfer statt. Dadurch werden die elektrochemischen Gleichgewichte an der Anode und Kathode gestört. Damit der Stromfluss nicht zum Erliegen kommt, muss ein Ladungsausgleich zwischen den Elektrolytlösungen erfolgen können. Dafür sorgt das Diaphragma.

    An der Zinkelektrode werden Elektronen abgezogen, so entsteht hier ein Überschuss an positiver Ladung. Damit sich ein Gleichgewicht einstellt, werden Elektronen benötigt. Diese entstehen durch die Oxidation von Zink. Dabei reichern sich positiv geladene Zink-Ionen im Elektrolyten an, sodass sich die Lösung positiv auflädt.

    In der Kupferelektrode entsteht durch den Elektronenfluss ein Überschuss an negativer Ladung. Um das Gleichgewicht herzustellen, müssen Elektronen verbraucht werden. Dies erfolgt durch die Reduktion von Kupfer-Ionen aus dem Elektrolyten, der sich wegen der negativ geladenen Sulfat-Ionen negativ auflädt.

    Damit der Elektronenfluss stattfinden kann, wandern die Sulfat- und Zink-Ionen durch das Diaphragma. Es kommt zum Ladungsausgleich. Der Elektronenfluss stoppt erst, wenn die Zinkelektrode aufgebraucht ist.

    Damit ist die einzige falsche Aussage:
    „In der Kupfer-Halbzelle reichern sich positiv geladene Sulfat-Ionen an.“
    In der Kupfer-Halbzelle reichern sich nämlich negativ geladene Sulfat-Ionen an und sorgen für die negative Ladung des Elektrolyten.

  • Bestimme, was für die Kathode und was für die Anode gilt.

    Tipps

    Bei der Reduktion werden Elektronen aufgenommen.

    Die Elektronen fließen von der Anode zur Kathode.

    An der Anode wird Zink oxidiert.

    Lösung

    Hier siehst du ein Daniell-Element. Es handelt sich dabei um eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht. Wobei sich jeweils eine entsprechende Elektrode in einer Sulfatlösung befindet. Da die beiden Elektroden verbunden sind, findet ein Elektronenfluss von Zink zu Kupfer statt.

    An der Zink-Anode werden Elektronen abgezogen, so entsteht hier ein Überschuss an positiver Ladung. Um das Gleichgewicht widerherzustellen, werden Elektronen benötigt. Dies geschieht durch die folgende Oxidation:

    $Zn \rightarrow Zn^{2+} +2e^-$

    In der Kupfer-Kathode entsteht durch den Elektronenfluss kurzzeitig ein Überschuss an negativer Ladung. Um das Gleichgewicht herzustellen, müssen Elektronen verbraucht werden. Dies erfolgt durch die folgende Reduktion:

    $Cu^{2+} +2e^- \rightarrow Cu$

  • Gib die passenden Reaktiongleichungen an.

    Tipps

    Bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle oxidiert Wasserstoff unter Elektronenabgabe an der Anode.

    Eine Reduktion ist immer eine Elektronenaufnahme.

    Lösung

    Bei der Zink-Kohle Batterie passiert ähnliches wie bei dem Daniell-Element. Es gibt einen Stromfluss von der Anode zur Kathode. Daher findet an der Anode eine Oxidation von Zink statt:

    $Zn\rightarrow Zn^{2+}+2~e^-$

    Die Kathode ist in diesem Fall ein Kohleelektrode und der Elektrolyt ist in unserem Beispiel leicht sauer. Durch den Überschuss an Elektroden findet an der Kathode die Reduktion statt. Aus dem Mangan(IV)-oxid (auch Mangandioxid oder Braunstein genannt) und den Oxonium-Ionen wird unter Aufnahme von Elektronen Mangan(III)-oxid und Wasser:

    $2~MnO_2+2~H_3O^+ +2~e^-\rightarrow Mn_2O_3 + 3~H_2O$

    Das zweite Beispiel ist eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Brennstoffzellen gelten als eine Zukunftstechnologie. Die Idee ist schon mehr als 180 Jahre alt: Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen Strom und Wärme. Auch hier trennt ein Elektrolyt die Elektroden voneinander und ist zuständig für die Möglichkeit der Ionenwanderung, damit der Stromfluss nicht zum Erliegen kommt. In unserem Beispiel ist der Elektrolyt basisch. An der Anode wird Wasserstoff unter Elektronenabgabe oxidiert:

    $2~H_2 +4~OH^-\rightarrow 4~H_2O+4~e^-$

    An der Kathode wird Sauerstoff unter Elektronenaufnahme reduziert:

    $4~e^-+O_2+2~H_2O\rightarrow 4~OH^-$

  • Entscheide, ob es sich um eine Oxidation oder eine Reduktion handelt.

    Tipps

    Bei $Na\rightarrow Na^+ + e^-$ handelt es sich um eine Oxidation.

    Bei einer Reduktion werden Elektronen von einem Ion, Atom oder Molekül aufgenommen.

    Lösung

    Eine Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der von einem Ion, Atom oder Molekül Elektronen abgegeben werden.
    1.$~$$2Al\rightarrow 2~Al^{3+}+6~e^-$
    2.$~$$Zn\rightarrow Zn^{2+}+2~e^-$

    Eine Reduktion ist eine chemische Reaktion, bei der von einem Ion, Atom oder Molekül Elektronen aufgenommen werden.
    1.$~$$2~Fe^{3+}+6~e^-\rightarrow 2~Fe$
    2.$~$$2~H^++2~e^-\rightarrow H_2$
    3.$~$$Cl{_2}+2~e^-\rightarrow 2~Cl^-$

    Verknüpft man die jeweiligen Reaktionsgleichungen miteinander, erhält man eine Redoxreaktion:
    1.$~$$Fe_2O_3 + 2~Al \rightarrow 2~Fe + Al_2O_3$
    2.$~$$Zn + 2~HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$
    3.$~$ $2~Na+Cl{_2}\rightarrow 2~Na^+ + 2~Cl^-$ (mit $2~Na\rightarrow 2~Na^+ + 2~e^-$ als Oxidation)

  • Erkläre den Unterschied zwischen Primär- und Sekundärzellen.

    Tipps

    Wenn die Zink-Kohle-Batterie deines Weckers alle ist, musst du sie im Sondermüll entsorgen.

    Lösung

    Sowohl beim Handy-Akku als auch bei der Zink-Kohle-Batterie handelt es sich um galvanische Zellen. Dennoch erkennen wir deutliche Unterschiede.

    Wir betrachten zunächst das Beispiel der Zink-Kohle-Batterie:

    An der Anode wird das Zink oxidiert und dabei gehen die Zink-Ionen in die Elektrolytlösung über. Die Redoxreaktion läuft so lange ab, bis die Zinkelektrode vollständig aufgebraucht ist. Wir können sehen, dass die Redoxprozesse in der Batterie nicht umkehrbar sind. Wenn eine Batterie nicht wieder aufladbar ist, spricht man auch von einer Primärzelle.

    Im Gegensatz dazu sind die im Akkumulator (kurz: Akku) ablaufenden Redoxprozesse umkehrbar, daher ist er wieder aufladbar. Man spricht hier von einer Sekundärzelle. Ein Beispiel für einen Akkumulator ist die Autobatterie.

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