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EIN galvanisches Element, Galvanische Zelle, Spannungszelle oder elektrochemisches Element ist ein elektrochemischEnergiequelle: eine Baugruppe, die a . enthält elektrischer Strom durch chemische Umwandlung, die redox Reaktion. Ein galvanisches Element hat zwei Halbzellen, mit elektrisch leitfähigen Zellen Elektroden aus verschiedenen Materialien, ursprünglich Platten aus verschiedenen Metallen, in denen a elektrolytischSalzbrücke befindet sich. Ein galvanisches Element kann auch zwei Elektroden in einem Reservoir aufweisen. Eine separate Salzbrücke ist dann nicht notwendig (das Reservoir selbst ist die Salzbrücke). Dies ist der Fall bei a Blei-Säure-Batterie. Der Begriff "Halbzelle" kann dort als abstrakter Begriff verwendet werden, er ist dort kein physikalisches Kompartiment.

Geschichte

Das Element ist nach dem italienischen Arzt und Naturwissenschaftler benannt Luigi Galvanic. Im 1780 er entdeckte, dass, wenn zwei verschiedene Metalle (z Kupfer und Eisen) mit einem in Salzlake getränkten Tuch dazwischen, wurden mit dem Nerv von a . verbunden Froschmuskel, das Froschschenkel zog sich zusammen. Dieses Phänomen wurde von ihm verursacht Bioelektrizität erwähnt.

Sein Freund Alessandro Volta, Professor für Physik an der Universität Pavia, baute auf seinen Experimenten auf. Damit wurde festgestellt, dass jede Kombination zweier Metalle Strom erzeugen kann, auch ohne Muskelgewebe einzubeziehen. Dies führte zur Konstruktion des ersten galvanischen Elements, des Volta-Elements. Dieser bestand aus einem Kupfer- und sinken Platte getrennt durch fühlte das in a Kochsalzlösung war durchnässt. Durch Stapeln mehrerer solcher Elemente erhielt er die Spalte von Volta (runden 1800).

Dank dieser Erfindungen sind moderne Batterien gemacht.

Grundprinzipien

Schematische Darstellung des galvanischen Elements

Konstruktion

Ein galvanisches Element besteht aus zwei halbe Elemente. Wir betrachten das folgende Beispiel:

1. Zinkstab in Flüssigkeit aus Zinksulfat ZnSO₄
2. Kupferstab in Flüssigkeit aus Kupfer(II)sulfat CuSO₄

Operation

Die Metallatome der Metallstäbe (Elektroden) haben die Eigenschaft, sich in der Flüssigkeit (Elektrolyt) aufzulösen, wobei positiv geladene Metallionen in den Elektrolyten gelangen und die negativ geladenen Elektronen an der Elektrode verbleiben. Dies führt zu einem Potenzieller unterschied zwischen Elektrode und Elektrolyt auftreten. Der Auflösungsdrang eines Metalls ist umso größer, je unedler das Metall ist.

Da Zink weniger edel als Kupfer ist, gibt der Zinkstab seine Ionen schneller ab und hat somit ein größeres negatives Potential als der Kupferstab. Zwischen den Elektroden entsteht eine Potentialdifferenz, die der Differenz zwischen den beiden entspricht Standardelektrodenpotentiale (siehe auch unten).

Durch eine elektrische Verbindung zwischen den Zink- und Kupferstäben werden die Elektronen der negativ geladenen Zinkelektrode (der Anode) zur weniger negativ geladenen Kupferelektrode (de Kathode) gehen. Es gibt nun einen elektrischen Strom, der dem Elektronenstrom entgegengesetzt ist.

Gleichzeitig beginnt auch ein Ionenstrom. Für jeweils zwei Elektronen, die vom Zink zum Kupferstab wandern, geht ein Zn-Atom als Zinkion in die Elektrolytlösung. Dieser Vorgang – das Abgeben von Elektronen – heißt Oxidation und findet an der Anode statt.

Da der Kupferstab zwei Elektronen aufnimmt, müssen diese an ein Kupferion aus dem Elektrolyten gebunden werden, das sich als Kupferatom auf dem Kupferstab niederschlägt. Dieser Vorgang – die Aufnahme von Elektronen – heißt die Ermäßigung und findet an der Kathode statt.

Dies hat zur Folge, dass im Kupfersulfat ein Überschuss an Sulfat-Ionen und im Zinksulfat ein Mangel besteht. Durch Setzen eines zwischen die beiden Salzbrücke (zum Beispiel von Kaliumchlorid) oder poröse Scheibe, wird dieses Gleichgewicht wiederhergestellt. Das galvanische Element kann nun Strom liefern, bis sich der gesamte Zinkstab aufgelöst hat oder bis sich alle Kupferionen auf dem Kupferstab abgeschieden haben.

Die abgenommene elektrische Arbeit entspricht einer äquivalenten Menge an Reaktionswärme, die bei einem ähnlichen Prozess, beispielsweise in einem Reagenzglas, freigesetzt würde. Die Leute reden auch über kalt brennen.

Potenzieller unterschied

Das Potential eines galvanischen Elements lässt sich aus der Tabelle der Standardelektrodenpotentiale für jedes halbe Element.

• Der erste Schritt besteht darin, die Oxidations- und Reduktionsreaktion getrennt zu bestimmen. Für das obige Element sind dies die folgenden halbe Reaktionen:

Oxidation: Zn → Zn² 2.⁻

Reduktion: Cu² 2.⁻ → Cu

• Der zweite Schritt besteht darin, das Standardelektrodenpotential E⁰ in der Tabelle für jede Reaktion. Die Potentialdifferenz des Elements ist gleich dem positivsten E⁰Wert minus dem negativsten E⁰-Wert:

zn² 2.⁻ → Zn E⁰ = −0,76 V

Stichwort² 2.⁻ → CuE⁰ = 0,34 V

Die Potentialdifferenz – Quellenspannung genannt – beträgt also (0,34 V) − (−0,76 V) = 1,1 Volt unter Standardbedingungen und wenn kein Strom durch das Element fließt.

• Wird das galvanische Element unter nicht standardmäßigen Bedingungen verwendet, ist die Nernst-Vergleich angewendet, um das korrekte Elektrodenpotential zu berechnen. Bei Stromfluss muss der Innenwiderstand des Elements berücksichtigt werden.
• Ein elektrischer Strom beginnt erst zu fließen, wenn die Potentialdifferenz zwischen dem Elektrodenpotential des Oxidationsmittels und dem Elektrodenpotential des Reduktionsmittels größer als 0,3 Volt ist.^[1]

Kapazität

Mit Hilfe von Faradaysches Elektrolysegesetz kann man die maximale - theoretisch realisierbare - Kapazität berechnen:^[2]

${displaystyle Q_{T}=int _{0}^{t}Icdot dt=pcdot Fcdot n_{m}}$

Darin ist:

${displaystyle Q_{T}}$	elektrische Kapazität	coulomb
${Anzeigestil I}$	elektrischer Strom	Ampere
${displaystyle t}$	Länge der Zeit	zweite
${displaystyle p}$	Anzahl der Elektronen pro Partikel, die an der Redoxreaktion beteiligt sind
${Anzeigestil F}$	Faraday-Konstante	96485,3 C/mol
${displaystyle n_{m}}$	Menge an Staub	Maulwurf
	= Theoretische Stoffmenge, die oxidiert oder reduziert werden kann

Versionen

Galvanische Elemente werden grob in drei Gruppen eingeteilt:

Primärelement

Dieser kann sofort Strom liefern, nutzt sich aber mit der Zeit ab und muss ersetzt werden. Dies umfasst alle nicht wiederaufladbaren Batterien.

Sekundärelement oder Akkumulator

Dieser muss erst aufgeladen werden, bevor er Strom liefern kann. Dazu gehört die Blei-Säure-Batterie und die wiederaufladbaren Batterien

Elektrolytelement oder Brennstoffzelle

Dabei werden die Wirkstoffe von außen zugeführt, meist gasförmig oder flüssig. Der Vorteil besteht darin, dass es weiterhin Strom liefert, solange die Versorgung aufrechterhalten wird.

Überblick

Die bekanntesten galvanischen Elemente sind:

Normales Element

Die Elemente von Josiah Latimer Clark und Edward Weston sind sogenannte Normalelemente, galvanische Elemente, die eine sehr stabile, gut reproduzierbare Quellenspannung liefern.^[3] Im Gegensatz zu den anderen Elementen sind normale Elemente nicht dazu gedacht, selbst Strom zu liefern. Diese Elemente wurden hauptsächlich in Poggendorff-Kompensationsschaltungen für die kalibrieren von Spannungsquellen und der kalibrieren der PräzisionMessgeräte. Für die Lebensdauer des Elements ist es sogar wichtig, dass der Stromverbrauch möglichst gering gehalten wird.

Siehe auch

• Galvanisieren
• Kathodenschutz
• Spannungsreihe von Metallen