Daniell-Element und galvanische Zelle

In einer galvanischen Zelle läuft eine Redoxreaktion in zwei getrennten Halbzellen ab, die Elektronen fliessen durch einen Draht und liefern Strom. Das Daniell-Element aus Zink und Kupfer ist das Grundmodell jeder Batterie.

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3. Jahr Gymnasium - 4. Jahr Gymnasium
Gymnasium

Zwei Jugendliche bauen im Chemiezimmer eine Zelle aus zwei Bechergläsern mit Metallstreifen, einem gebogenen Glasrohr dazwischen und Kabeln zu einem kleinen Messgerät.

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Das musst du wissen

Erklärung

Eine galvanische Zelle liefert Strom aus einer . und laufen in zwei getrennten Halbzellen ab, die Elektronen wandern durch einen Draht. Am Daniell-Element lernst du Pole, Spannung und den Bau von Batterie und Akku.

Aufbau des Daniell-Elements

Das Daniell-Element (nach John Frederic Daniell, 1836) hat zwei Halbzellen: ein Zinkblech in Zinksulfat-Lösung und ein Kupferblech in Kupfersulfat-Lösung. Die Bleche heissen Elektroden.

Aussen verbindet sie ein Draht, innen eine Salzbrücke oder eine poröse Tonwand. Kurz:

Zn ∣ Z n^{2 +} ∣∣ C u^{2 +} ∣ Cu

Der Doppelstrich steht für die Salzbrücke.

Was an den Elektroden passiert

Zink ist unedler als Kupfer und gibt leichter Elektronen ab. Am Zinkblech läuft die Oxidation:

Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}

Die Elektronen fliessen durch den Draht zum Kupferblech. Dort nehmen Kupfer-Ionen aus der Lösung sie auf, die Reduktion:

C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu

Zusammen: $Zn + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + Cu$ . Das Zinkblech wird mit der Zeit dünner, auf dem Kupferblech wächst Kupfer, und die blaue Lösung wird heller.

MerkeAn der Anode läuft die Oxidation, an der Kathode die Reduktion.

Anode, Kathode, Minuspol, Pluspol

Die Elektrode mit der Oxidation heisst Anode, hier das Zink. Weil dort Elektronen entstehen, ist sie der Minuspol.

Die Elektrode mit der Reduktion heisst Kathode, hier das Kupfer. Ihr fehlen Elektronen, sie ist der Pluspol.

Im Draht fliessen die Elektronen vom unedleren zum edleren Metall.

MerkeIn der galvanischen Zelle ist das unedlere Metall die Anode und der Minuspol.

Wozu die Salzbrücke?

Ohne Salzbrücke würde die Zink-Lösung positiv, weil $Z n^{2 +}$ dazukommt. Die Kupfer-Lösung würde negativ, weil $C u^{2 +}$ verschwindet. Der Strom stünde sofort still.

Durch die Salzbrücke wandern Ionen und gleichen die Ladungen aus. Die Lösungen mischen sich dabei nicht. Das ist wichtig: Kämen $C u^{2 +}$ -Ionen ans Zink, gingen die Elektronen dort über statt durch den Draht.

Spannungsreihe und Spannung

Das Standardpotenzial E° einer Halbzelle misst man gegen die Wasserstoff-Halbzelle (0 V), bei 25 °C und 1 mol/L. Geordnet: die Spannungsreihe.

Halbzelle	E°
$Mg/M g^{2 +}$	−2.37 V
$Al/A l^{3 +}$	−1.66 V
$Zn/Z n^{2 +}$	−0.76 V
$Fe/F e^{2 +}$	−0.44 V
$Pb/P b^{2 +}$	−0.13 V
$H_{2} / H^{+}$	0.00 V
$Cu/C u^{2 +}$	+0.34 V
$Ag/A g^{+}$	+0.80 V

Spannung der Zelle:

Δ E = E^{\circ} (Kathode) - E^{\circ} (Anode)

Daniell: $0.34 V - (- 0.76 V) = 1.10 V$ .

MerkeSpannung = Potenzial der Kathode minus Potenzial der Anode. Je weiter die Metalle auseinanderliegen, desto grösser die Spannung.

Batterien: das Leclanché-Element

Eine Batterie ist eine galvanische Zelle im Gehäuse. Das Leclanché-Element (Zink-Kohle-Batterie) liefert 1.5 V.

Der Zinkbecher ist Anode und Minuspol: $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ . Pluspol ist ein Kohlestab in Braunstein $Mn O_{2}$ . Braunstein wird reduziert (Mn +IV zu +III).

Elektrolyt ist eine Ammoniumchlorid-Paste. Sind die Stoffe der Reaktion verbraucht, ist die Batterie leer.

Akkus: der Bleiakku

Einen Akku kann man laden: Strom von aussen erzwingt die Rückreaktion. Der Bleiakku im Auto hat eine Elektrode aus Blei, eine aus Bleidioxid und . Beim Entladen:

Pb + S O_{4}^{2 -} \to PbS O_{4} + 2 e^{-} (Anode)

Pb O_{2} + S O_{4}^{2 -} + 4 H^{+} + 2 e^{-} \to PbS O_{4} + 2 H_{2} O (Kathode)

Eine Zelle liefert rund 2 V, sechs ergeben die 12 V im Auto. Beim Entladen wird die dünner.

Galvanische Zelle und Batterien (daniell-element): Übersicht mit Was an den Elektroden passiert; Anode, Kathode, Minuspol, Pluspol; Spannungsreihe und Spannung. — Galvanische Zelle und Batterien auf einen Blick: die wichtigsten Regeln.

Häufige Fehler

✕Die Anode ist immer der Pluspol.
✓In der galvanischen Zelle ist die Anode der Minuspol, denn dort werden Elektronen abgegeben. Nur bei der Elektrolyse, wo Strom von aussen kommt, ist die Anode der Pluspol. Fest bleibt: Anode = Oxidation.
✕Durch die Salzbrücke fliessen die Elektronen zurück.
✓Elektronen fliessen nur durch den Draht. In der Salzbrücke und in den Lösungen wandern Ionen und gleichen die Ladungen aus.
✕Die Spannung der Zink-Kupfer-Zelle ist $- 0.76 V + 0.34 V = - 0.42 V$ .
✓Man subtrahiert: Kathode minus Anode, $0.34 V - (- 0.76 V) = 1.10 V$ . Die Spannung einer galvanischen Zelle ist immer positiv.
✕Ein grösseres Zinkblech gibt eine grössere Spannung.
✓Die Spannung hängt von den beiden Metallen und den Konzentrationen ab, nicht von der Grösse. Ein grösseres Blech liefert länger oder mehr Strom, aber keine höhere Spannung.

Begriffe zum Nachschlagen

Galvanische Zelle: Anordnung aus zwei Halbzellen, in der eine Redoxreaktion von selbst abläuft und Strom liefert. Auch galvanisches Element genannt.
Halbzelle: Eine Elektrode in der Lösung ihrer Ionen, etwa Zink in Zinksulfat-Lösung. Zwei Halbzellen ergeben eine galvanische Zelle.
Elektrode: Leiter, meist ein Metallblech oder Kohlestab, an dem Elektronen mit den Teilchen der Lösung ausgetauscht werden.
Anode: Elektrode, an der die Oxidation abläuft. In der galvanischen Zelle der Minuspol.
Kathode: Elektrode, an der die Reduktion abläuft. In der galvanischen Zelle der Pluspol.
Salzbrücke: Rohr mit Salzlösung zwischen den Halbzellen. Ionen wandern hindurch und schliessen den Stromkreis.
Elektrolyt: Lösung, Paste oder Schmelze, die Strom über wandernde Ionen leitet.
Standardpotenzial: Spannung einer Halbzelle gegen die Wasserstoff-Halbzelle bei 25 °C und 1 mol/L, Zeichen E°.
Spannungsreihe: Liste der Halbzellen nach ihrem Standardpotenzial, von unedel (negativ) bis edel (positiv).
Akku: Galvanische Zelle, die sich mit Strom von aussen wieder laden lässt, etwa der Bleiakku. Ausgeschrieben Akkumulator.

Noch unsicher? Zuerst lernen:Redoxreaktion und Oxidationszahlen

So geht's

Beispiele Schritt für Schritt

Beispiel 1Das Daniell-Element beschreiben

Ein Zinkblech steht in Zinksulfat-Lösung, ein Kupferblech in Kupfersulfat-Lösung. Draht und Salzbrücke verbinden die Halbzellen. Gib Anode und Kathode an, schreib die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung auf und berechne die Spannung.

Lösung Schritt für Schritt

Zink steht in der Spannungsreihe weiter oben (−0.76 V) als Kupfer (+0.34 V). Zink ist unedler und gibt Elektronen ab.
Anode (Minuspol), Oxidation: $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$
Kathode (Pluspol), Reduktion: $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$
Beide Teilgleichungen haben 2 Elektronen. Addieren: $Zn + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + Cu$
Spannung: Kathode minus Anode. $Δ E = 0.34 V - (- 0.76 V) = 1.10 V$

Zink ist Anode und Minuspol, Kupfer Kathode und Pluspol. Gesamt: $Zn + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + Cu$ , Spannung 1.10 V.

Beispiel 2Zink-Silber-Zelle mit unterschiedlichen Ladungen

Eine Zelle besteht aus einer Zink-Halbzelle (E°=−0.76 V) und einer Silber-Halbzelle (E°=+0.80 V). Stell die Gesamtgleichung auf und berechne die Spannung.

Lösung Schritt für Schritt

Zink ist unedler, also die Anode. Silber ist die Kathode.
Oxidation: Ein Zink-Atom gibt 2 Elektronen ab. $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$
Reduktion: Ein Silber-Ion nimmt nur 1 Elektron auf. Darum braucht es zwei Silber-Ionen. $2 A g^{+} + 2 e^{-} \to 2 Ag$
Addieren: $Zn + 2 A g^{+} \to Z n^{2 +} + 2 Ag$
Spannung. Den Faktor 2 aus der Gleichung rechnest du nicht mit, das Potenzial hängt nicht von der Teilchenzahl ab. $Δ E = 0.80 V - (- 0.76 V) = 1.56 V$

$Zn + 2 A g^{+} \to Z n^{2 +} + 2 Ag$ , Spannung 1.56 V.

Beispiel 3Das Auto springt nicht an

Ein Vater und seine Tochter stehen an einem verschneiten Morgen in einem Bergdorf an einem Auto mit offener Motorhaube und schauen auf die Batterie.

An einem kalten Morgen in Davos springt das Auto der Familie nicht an, die Batterie ist fast leer. Die Autobatterie ist ein Bleiakku mit 12 V. Wie viele Zellen hat sie? Was passiert beim Entladen an den beiden Elektroden, und warum zeigt die Säure, wie voll der Akku ist?

Lösung Schritt für Schritt

Eine Bleiakku-Zelle liefert rund 2 V. Für 12 V braucht es sechs Zellen hintereinander. $12 V : 2 V = 6$
An der Anode (Blei) wird Blei oxidiert, von 0 auf +II: $Pb + S O_{4}^{2 -} \to PbS O_{4} + 2 e^{-}$
An der Kathode (Bleidioxid) wird Blei reduziert, von +IV auf +II: $Pb O_{2} + S O_{4}^{2 -} + 4 H^{+} + 2 e^{-} \to PbS O_{4} + 2 H_{2} O$
An beiden Elektroden entsteht Bleisulfat. Dabei wird Schwefelsäure verbraucht und Wasser gebildet.
Die Säure wird also mit dem Entladen dünner, ihre Dichte sinkt. Misst man die Säuredichte, sieht man den Ladezustand.

Sechs Zellen zu rund 2 V. Beim Entladen werden Blei und Bleidioxid zu Bleisulfat; Schwefelsäure wird verbraucht und Wasser gebildet, darum sinkt die Säuredichte mit dem Ladezustand.

Beispiel 4Eine LED mit Daniell-Elementen

Drei Jugendliche verbinden im Schulzimmer zwei Zellen aus je einem klaren und einem blauen Becherglas mit Glasrohr dazwischen über Kabel, am Ende leuchtet eine kleine rote LED.

Für ein Projekt an der Kantonsschule in Winterthur soll eine rote LED leuchten. Sie braucht mindestens 1.8 V. Ein Daniell-Element liefert 1.10 V. Wie viele Elemente schaltest du hintereinander, und wie verbindest du sie?

Lösung Schritt für Schritt

Hintereinander geschaltet addieren sich die Spannungen. Ein Element reicht nicht, denn 1.10 V ist weniger als 1.8 V.
Mit zwei Elementen: $2 \cdot 1.10 V = 2.20 V > 1.8 V$
Verbinden: das Kupfer (Pluspol) des ersten Elements mit dem Zink (Minuspol) des zweiten. Die LED kommt zwischen das freie Zink des ersten und das freie Kupfer des zweiten.
Eine LED leitet nur in eine Richtung. Ihr längeres Bein (Plus) gehört an die Kupferseite.

Zwei Daniell-Elemente hintereinander liefern 2.20 V; Kupfer des einen an Zink des anderen, die LED mit dem Plus-Bein an die Kupferseite.

Jetzt du

Übungen mit Lösungen

Fang beim Einstieg an. Klapp die Lösung erst auf, wenn du selbst gerechnet hast. Steckst du fest, gibt Fox dir einen Tipp.

Einstieg5Üben5Knacknüsse4

1
Welches Metall ist im Daniell-Element die Anode?
Lösung zeigen
Ergebnis: Zink
1. Zink ist unedler als Kupfer und gibt Elektronen ab.
2. Wo oxidiert wird, ist die Anode: das Zink.
2
Ist die Kathode einer galvanischen Zelle der Plus- oder der Minuspol?
Lösung zeigen
Ergebnis: der Pluspol
1. An der Kathode werden Elektronen verbraucht (Reduktion).
2. Dort fehlen Elektronen, sie ist der Pluspol.
3
In welche Richtung fliessen die Elektronen im Draht des Daniell-Elements?
Lösung zeigen
Ergebnis: vom Zink zum Kupfer
1. Am Zink entstehen Elektronen: $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ .
2. Am Kupfer werden sie gebraucht: $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ . Sie fliessen also vom Zink zum Kupfer.
4
Wozu dient die Salzbrücke?
Lösung zeigen
Ergebnis: Sie schliesst den Stromkreis: Ionen wandern hindurch und gleichen die Ladungen der Lösungen aus.
1. Ohne Ausgleich würde die Zink-Lösung positiv, die Kupfer-Lösung negativ, und der Strom stoppt.
2. Durch die Salzbrücke wandern Ionen und halten beide Lösungen neutral, ohne dass sie sich mischen.
5
Wie gross ist die Spannung des Daniell-Elements unter Standardbedingungen?
Lösung zeigen
Ergebnis: 1.10 V
1. $E^{\circ} (Cu) = + 0.34$ V, $E^{\circ} (Zn) = - 0.76$ V.
2. $Δ E = 0.34 V - (- 0.76 V) = 1.10 V$ .

6
Berechne die Spannung einer Zelle aus einer Eisen-Halbzelle (E°=−0.44 V) und einer Kupfer-Halbzelle (E°=+0.34 V). Welches Metall ist der Minuspol?
Lösung zeigen
Ergebnis: 0.78 V, Eisen ist der Minuspol.
1. Eisen ist unedler, also Anode und Minuspol.
2. $Δ E = 0.34 V - (- 0.44 V) = 0.78 V$ .
7
Schreib die Gesamtgleichung einer Zelle aus Kupfer und Silber auf und berechne die Spannung.
Lösung zeigen
Ergebnis: $Cu + 2 A g^{+} \to C u^{2 +} + 2 Ag$ , 0.46 V
1. Kupfer (+0.34 V) ist unedler als Silber (+0.80 V), also die Anode: $Cu \to C u^{2 +} + 2 e^{-}$ .
2. Kathode: $2 A g^{+} + 2 e^{-} \to 2 Ag$ .
3. Addiert: $Cu + 2 A g^{+} \to C u^{2 +} + 2 Ag$ ; $Δ E = 0.80 V - 0.34 V = 0.46 V$ .
8
Was beobachtest du an den beiden Blechen und an der blauen Lösung, wenn ein Daniell-Element einige Stunden Strom liefert?
Lösung zeigen
Ergebnis: Das Zinkblech wird dünner, auf dem Kupferblech scheidet sich Kupfer ab, die blaue Lösung wird heller.
1. Zink geht als $Z n^{2 +}$ in Lösung, das Blech verliert Masse.
2. $C u^{2 +}$ -Ionen werden zu Kupfer, das sich auf dem Kupferblech absetzt.
3. Die blaue Farbe kommt von den $C u^{2 +}$ -Ionen; werden es weniger, wird die Lösung heller.
9
Ein Zinkstab steht direkt in Kupfersulfat-Lösung, ohne Draht und ohne zweite Halbzelle. Läuft eine Reaktion ab? Fliesst nutzbarer Strom?
Lösung zeigen
Ergebnis: Ja, Zink reagiert mit den Kupfer-Ionen, aber es fliesst kein nutzbarer Strom; es wird nur warm.
1. Die Reaktion $Zn + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + Cu$ läuft auch so ab, Kupfer setzt sich auf dem Zink ab.
2. Die Elektronen gehen aber direkt am Zink über, nicht durch einen Draht. Die Energie wird als Wärme frei.
10
In welchem Bauteil steckt beim Leclanché-Element das Zink, und welcher Stoff wird am Pluspol reduziert?
Lösung zeigen
Ergebnis: Im Becher (Gehäuse, Minuspol); reduziert wird Braunstein $Mn O_{2}$ .
1. Der Zinkbecher ist die Anode: $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ .
2. Am Kohlestab wird der Braunstein reduziert, Mangan geht von +IV auf +III. Der Kohlestab leitet nur.

11
Du hast die Halbzellen Mg, Zn, Fe, Cu und Ag. Gesucht ist die Zelle mit der kleinsten Spannung, die noch über 1.5 V liegt. Welche zwei Halbzellen nimmst du, und wie gross ist die Spannung?
Lösung zeigen
Ergebnis: Zink und Silber, 1.56 V
1. Spannungen über 1.5 V: Mg/Zn −0.76−(−2.37)=1.61 V, Mg/Fe 1.93 V, Mg/Cu 2.71 V, Mg/Ag 3.17 V, Zn/Ag 0.80−(−0.76)=1.56 V.
2. Alle anderen Paare liegen darunter: Fe/Ag 1.24 V, Zn/Cu 1.10 V, Fe/Cu 0.78 V, Cu/Ag 0.46 V, Zn/Fe 0.32 V.
3. Die kleinste Spannung über 1.5 V hat Zn/Ag: $Δ E = 0.80 V - (- 0.76 V) = 1.56 V$ , knapp vor Mg/Zn mit 1.61 V.
12
Stell für eine Aluminium-Kupfer-Zelle die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung auf und berechne die Spannung ( $E^{\circ} (Al) = - 1.66$ V).
Lösung zeigen
Ergebnis: $2 Al + 3 C u^{2 +} \to 2 A l^{3 +} + 3 Cu$ , 2.00 V
1. Anode: $Al \to A l^{3 +} + 3 e^{-}$ , Kathode: $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ .
2. kgV von 3 und 2 ist 6: Oxidation mal 2, Reduktion mal 3.
3. $2 Al + 3 C u^{2 +} \to 2 A l^{3 +} + 3 Cu$ ; $Δ E = 0.34 V - (- 1.66 V) = 2.00 V$ .
13
Gib beim Entladen des Bleiakkus die des Bleis in $Pb$ , $Pb O_{2}$ und $PbS O_{4}$ an. Was ist das Besondere an dieser Reaktion?
Lösung zeigen
Ergebnis: Pb: 0, PbO₂: +IV, PbSO₄: +II. Dasselbe Element wird oxidiert und reduziert und landet auf derselben Stufe (Komproportionierung).
1. Im Metall hat Blei 0. In $Pb O_{2}$ : x+2·(−2)=0, also +IV. In $PbS O_{4}$ hat Sulfat −2, Blei also +II.
2. Blei 0 wird zu +II oxidiert, Blei +IV zu +II reduziert. Beide enden bei +II.
14
Zwei Kupfer-Halbzellen werden verbunden: eine mit 1 mol/L, die andere mit 0.01 mol/L Kupfersulfat. Fliesst Strom? Welche Halbzelle ist die Anode? Berechne die Spannung mit der Nernst-Gleichung $E = E^{\circ} + \frac{0.059 V}{z} \cdot l g c (C u^{2 +})$ .
Lösung zeigen
Ergebnis: Ja, die verdünnte Halbzelle ist die Anode; die Spannung beträgt rund 0.059 V.
1. Konzentrierte Halbzelle: $E = 0.34 V$ . Verdünnte: $E = 0.34 V + \frac{0.059 V}{2} \cdot (- 2) = 0.281 V$ .
2. Die verdünnte hat das kleinere Potenzial, dort löst sich Kupfer auf: Sie ist die Anode.
3. $Δ E = 0.34 V - 0.281 V = 0.059 V$ .

Verwechselst du Anode und Kathode oder hängt es beim Berechnen der Spannung, geht eine Lehrperson das Daniell-Element mit dir Schritt für Schritt durch. Nachhilfe in Chemie fürs Gymnasium

Üben ohne Ende

Trainer: Daniell-Element und galvanische Zelle

So funktioniert der Trainer

Fragen zum Anklicken, jede mit kurzer Erklärung. Stufe 1 übt Aufbau und Begriffe, Stufe 2 die Spannungsreihe und das Berechnen der Spannung, Stufe 3 Teilgleichungen, Batterien und Akkus.

Welches Metall ist im Daniell-Element die Kathode?

Löse die Aufgabe und drück «Prüfen» (oder Enter).

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Für Eltern und Lehrpersonen

Einordnung

Typische Klasse: 3. Jahr Gymnasium - 4. Jahr Gymnasium
Stufe: Gymnasium
Fach: Chemie

Am Gymnasium meist im 3. oder 4. Jahr, direkt nach den Redoxreaktionen. Auf das Daniell-Element folgen Spannungsreihe, Batterien, Akkus und die Elektrolyse.

Gut zu wissen

Häufige Fragen

Ist die Anode der Plus- oder der Minuspol?

In der galvanischen Zelle, also in jeder Batterie, ist die Anode der Minuspol, denn dort entstehen durch die Oxidation Elektronen. Bei der Elektrolyse ist es umgekehrt. Sicher bleibt immer: An der Anode läuft die Oxidation.

Warum liefert das Daniell-Element genau 1.10 Volt?

Die Spannung ist der Abstand der Standardpotenziale von Kupfer (+0.34 V) und Zink (−0.76 V). Genau 1.10 V gilt nur bei 25 °C und Lösungen mit 1 mol/L; mit anderen Konzentrationen ändert sich der Wert leicht.

Was ist der Unterschied zwischen Batterie und Akku?

Beide sind galvanische Zellen. Einen Akku wie den Bleiakku kann man mit Strom von aussen wieder laden, weil seine Reaktion umkehrbar ist. Eine Batterie wie das Leclanché-Element ist leer, wenn die Stoffe der Reaktion verbraucht sind, und lässt sich nicht wieder laden.

In welcher Klasse kommt die galvanische Zelle dran?

Am Gymnasium meist im 3. oder 4. Jahr, nach den Redoxreaktionen. Wer Oxidation, Reduktion und Oxidationszahlen sicher kann, versteht das Daniell-Element schnell.