Chemie-LK · CL7 · Elektrochemie

Galvanische Zelle

Zwei Halbzellen aus Metallen und Lösungen wählen: Pole, Elektronen- und Ionenfluss und Zellspannung nach Nernst, auch bei anderen Konzentrationen.

So gehst du vor

1Wähle für die linke und die rechte Halbzelle ein Metall und die Konzentration seiner Ionen.
2Lies am Spannungsmesser die Zellspannung ab und am Bild, welche Elektrode Minuspol (Anode) und welche Pluspol (Kathode) ist.
3Verfolge den Weg der Elektronen im Draht und der Ionen durch die Salzbrücke. Schalte zum Vergleich auf ein Diaphragma um.
4Ändere die Konzentrationen und vergleiche die Spannung mit der Rechnung nach Nernst. Wähle zweimal dasselbe Metall: eine Konzentrationszelle.
5Schließe einen Verbraucher an und beobachte im Zeitraffer, wie die Spannung beim Entladen sinkt.

Zellspannung ΔE

1,10 V

Stromstärke

0 mA

Anode (Minuspol): Zink · Kathode (Pluspol): Kupfer

E(Cu²⁺/Cu) = 0,340 V + 0,059 V2 · lg(1) = 0,340 V

E(Zn²⁺/Zn) = −0,760 V + 0,059 V2 · lg(1) = −0,760 V

ΔE = E(Kathode) − E(Anode) = 0,340 V − (−0,760 V) = 1,10 V

Zelldiagramm: Zn | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu

Zellreaktion: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Linke Halbzelle

c(Zn²⁺)

1 molL

Zink: E° = −0,760 V

Rechte Halbzelle

c(Cu²⁺)

1 molL

Kupfer: E° = 0,340 V

Entladen über einen Verbraucher

Modell: je Halbzelle 100 mL Lösung, Verbraucher 10 Ω, Innenwiderstand vernachlässigt; die Konzentrationen ändern sich nach Faraday. Der Zeitraffer zeigt Stunden in Sekunden.

Standardpotenziale aus der Tabelle im Skript CL7 (gerundet auf 0,01 V). Nernst-Gleichung für Metallhalbzellen bei 25 °C: E = E° + 0,059 Vz · lg c(Ox). Gemessen wird stromlos; echte Messwerte liegen meist etwas unter den berechneten. Echte Versuche nur unter Aufsicht der Lehrkraft: Silbernitrat ist ätzend, Kupfer- und Zinksalze sind gesundheits- und umweltschädlich.

Aufträge

Daniell-Element unter Standardbedingungen: Gib Minuspol und Pluspol, Anode und Kathode und die Teilgleichungen an. Beschreibe den Weg der Elektronen und der Ionen und begründe, warum ohne Salzbrücke kein Strom fließt.
Kombiniere Zink nacheinander mit Eisen, Kupfer und Silber und Eisen mit Kupfer (alle 1 mol pro L). Zeige an den Spannungen, dass sich die Beiträge der Halbzellen addieren, und ordne alle sieben Metalle nach ihrem Standardpotenzial.
Stelle das Daniell-Element mit c(Zn²⁺) = 0,10 mol pro L und c(Cu²⁺) = 0,0010 mol pro L ein und berechne die Zellspannung mit der Nernst-Gleichung. Schließe dann einen Verbraucher an und erkläre, warum die Spannung beim Entladen sinkt und am Ende einbricht.
Konzentrationszelle: Wähle links und rechts Silber, links c(Ag⁺) = 0,0010 mol pro L, rechts 0,10 mol pro L. Begründe, welche Halbzelle Minuspol ist, und berechne ΔE. Entlade die Zelle und beschreibe, worauf sie zuläuft.

Theorie: Kapitel „Galvanische Zellen“, „Standardpotenziale und Spannungsreihe“ und „Konzentrationsabhängigkeit: die Nernst-Gleichung“ im Skript CL7 Elektrochemie. Die Umkehrung, die erzwungene Redoxreaktion, zeigt das Elektrolyse-Labor.