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Das DANIELL-Element

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Das DANIELL-Element wurde 1836 von John Frederic DANIELL entwickelt. Es besteht aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle. Unter einer Halbzelle versteht man eine Elektrode, die in eine Salzlösung des gleichen Metalls taucht. Ein Kupferstab in einer Kupfersulfat-Lösung ist beispielsweise eine Kupferhalbzelle, ein Zinkstab in einer Zinksulfat-Lösung ist dann eine Zinkhalbzelle.

Ein galvanisches Element besteht immer aus zwei solcher Halbzellen, die leitend miteinander verbunden sind.

Das DANIELL-ELement. Links ist ein Zinkstab in eine Zinksulfatlösung mit 8 Zn2+-Ionen eingetaucht, rechts ein Kupferstab in eine Kupfersulfatlösung mit 4 Cu2+-Ionen. Der Zinkstab enthält 16 negative Ladungen, der Kupferstab 8 negative Ladungen.

Hier sehen wir ein Zink-Halbzelle (links) und eine Kupfer-Halbzelle (rechts), die durch eine semipermeable Membran (grün) getrennt sind. Die Membran verhindert eine direkte Vermischung der beiden Flüssigkeiten, erlaubt aber die Diffusion von Zink-, Kupfer- und Sulfat-Ionen sowie von Wasser-Molekülen. Der Verbraucher kann eine kleine Glühlampe, ein Elektromotor oder Ähnliches sein. Die Sulfat-Ionen und die Wasser-Moleküle sind hier nicht mit eingezeichnet.

Die chemischen Vorgänge beim DANIELL-Element sind uns eigentlich bereits bekannt, sie ähneln den Prozessen bei der "Wasserbatterie".

In der Zinkhalbzelle läuft folgende Reaktion ab:

$Zn_{(s)} \rightleftharpoons Zn^{2+}_{(aq)}+ 2 \ e^{-}$

Das Gleichgewicht liegt hier auf der linken Seite, aber nicht sehr weit links. Zink hat ein relativ negatives ("hohes") Redoxpotenzial.

In der Kupferhalbzelle läuft eine analoge Reaktion ab:

$Cu_{(s)} \rightleftharpoons Cu^{2+}_{(aq)}+ 2 \ e^{-}$

Allerdings liegt das Gleichgewicht hier stärker auf der linken Seite als bei der Zinkhalbzelle. Kupfer hat ein relativ positives ("geringes") Redoxpotenzial.

Das heißt, der Zinkstab in der Zinkhalbzelle gibt pro Zeiteinheit mehr Elektronen an die Lösung ab als der Kupferstab in der Kupferhalbzelle. In der Abbildung ist das schön zu sehen. Der linke Zinkstab hat 8 Zn2+-Ionen an die Lösung abgegeben, der rechte Kupferstab in der gleichen Zeit nur 4 Cu2+-Ionen. In der Zink-Elektrode befinden sich dann 16 Elektronen, während die Kupferelektrode nur 8 Elektronen besitzt. Diese Zahlen sind natürlich nur exemplarisch zu sehen, jedes Ion und jedes Elektron steht in Wirklichkeit für Tausende von Ionen bzw. Elektronen, wenn nicht sogar für Millionen.

Schließt man die beiden Halbzellen elektrisch zusammen, zum Beispiel indem man die beiden Elektroden mit einem Draht verbindet, dann fleißt ein Teil des Elektronen-Überschusses von der Zinkhalbzelle zur Kupferhalbzelle. Ähnlich wie bei biochemischen Diffusionsprozessen wird hier versucht, eine Art Konzentrationsausgleich zu erzielen.

Natürlich gelingt dieser Elektronenausgleich nicht, und das liegt daran, dass die Reaktionen Gleichgewichtsvorgänge sind.

Wenn die Zinkelektrode einige Elektonen an die Kupferelektrode abgegeben hat, sinkt sozusagen die "Konzentration" der Elektronen in der Zinkhalbzelle.

$Zn_{(s)} \rightleftharpoons Zn^{2+}_{(aq)}+ 2 \ e^{-}$

Nach dem Prinzip des kleinsten Zwangs wird das chemische Gleichgewicht der Reaktion also nach rechts "gezogen". Das heißt, es werden sich weitere Zink-Atome aus der Elektrode freimachen und in Form von Zink-Ionen in Lösung gehen. Dabei entstehen neue Elektronen, die den "Konzentrationsunterschied" bzw. Elektronenunterschied zwischen den beiden Elektroden aufrecht erhalten. Es fließen also ständig neue Elektronen von der Zinkhalbzelle zur Kupferhalbzelle.

In der Kupferhalbzelle läuft ebenfalls eine Gleichgewichtsreaktion ab:

$Cu_{(s)} \rightleftharpoons Cu^{2+}_{(aq)}+ 2 \ e^{-}$

Durch den ständigen Nachschub an Elektronen wird das Gleichgewicht dieser Reaktion nach links verschoben. Das heißt, Kupfer-Ionen der Lösung wandern zur Kupferelektrode und nehmen dort Elektronen auf. Dabei entstehen Kupfer-Atome. So wird eine Anreicherung der Elektronen auf der Kupferseite verhindert. Der Elektronenunterschied wird also auch durch diesen Prozess aufrecht erhalten.

Das führt dann dazu, dass ein ständiger Elektronenstrom von der Zinkhalbzelle zur Kupferhalbzelle fließt. An der Zinkelektrode werden immer mehr Zink-Atome in Lösung gehen, die Zinkelektrode wird mit der Zeit also immer kleiner. Umgekehrt wird die Kupferelektrode mit der Zeit immer dicker, weil sich immer mehr Kupfer-Ionen aus der Kupfersulfat-Lösung als Kupferschicht an der Kupferelektrode ablagern.

Im Prinzip haben wir mit dem Daniell-Element eine Batterie gebaut, die solange Strom liefert, bis die Zink-Elektrode aufgebraucht ist oder bis in der Kupferhalbzelle der Vorrat an Kupfer-Ionen erschöpft ist.

Umsetzung im Unterricht

Im Chemie-Unterricht der gymnasialen Oberstufe wird das Daniell-Element regelmäßig als Schülerversuch experimentell erforscht. Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie man mit Schulmitteln ein Daniell-Element aufbauen kann.

Elektrochemie-Baukasten

Das ist die einfachste Art, wenn ein solcher Baukasten zur Verfügung steht. Man füllt eine Kammer mit einer Kupfersulfatlösung, die gegenüberliegende Kammer mit einer Zinksulfatlösung, stellt eine Kupferelektrode in die Kupfersulfatlösung und eine Zinkelektrode in die Zinksulfatlösung und verbindet beide Elektroden mit dem Voltmeter.

Zwei Bechergläser

Man nimmt ein Becherglas, füllt es mit der Kupfersulfatlösung und stellt eine Kupferelektrode hinein. Das andere Becherglas wird entsprechend mit Zinksulfatlösung gefüllt, in der sich eine Zinkplatte befindet. Dann verbindet man beide Elektroden mit einem Voltmeter. Natürlich kann man jetzt noch keine Spannung ablesen, denn die beiden Halbzellen sind noch voneinander isoliert. Also muss eine Ionenbrücke her. Dazu nimmt am einfach ein Papiertaschentuch, tunkt es in eine Kaliumnitrat-Lösung, so dass es Ionen leiten kann, und legt es dann so über die Ränder der beiden Bechergläser, dass die Flüssigkeiten miteinander verbunden sind.

Manchmal wird auch vorgeschlagen, statt des Papiertaschentuchs ein kleines mit Salzlösung gefülltes U-Rohr als Ionenbrücke zu nehmen, das dann aber sehr geschickt platziert werden muss, was nicht jedem Schüler (m/w/d) gelingt.

U-Rohr mit Diaphragma

In den einen Schenkel kommt die Kupfersulfatlösung mit der Kupferelektrode, in den anderen Schenkel die Zinksulfatlösung mit der Zinkelektrode. Beide Elektroden werden mit dem Voltmeter verbunden. Das Diaphragma im U-Rohr ist passierbar für gelöste Ionen, somit ist auch hier der Stromkreis geschlossen.

Zweigeteilte Petrischale

In die eine Hälfte kommt die Kupfersulfatlösung mit der Kupferelektrode, in die andere Hälfte die Zinksulfatlösung mit der Zinkelektrode. Beide Elektroden werden mit dem Voltmeter verbunden. Die Ionenbrücke besteht aus einem kurzen Streifen Filtrierpapier, der mit Kaliumnitratlösung getränkt ist.

Poröser Tonzylinder

In den Tonzylinder kommt die Kupfersulfatlösung mit der Kupferelektrode, in das Becherglas die Zinksulfatlösung mit der Zinkelektrode. Dann stellt man den Tonzylinder in die Zinksulfatlösung. Beide Elektroden werden dann mit dem Voltmeter verbunden.

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