Grove-Element

Das Grove-Element ist ein historisches galvanisches Element, das man heute aus Zink-Platin-Zelle bezeichnen würde.

Aufbau

Aufbau des Grove-Elements
Autor: Ulrich Helmich 05/2024, Lizenz: siehe Seitenende

In einem porösen Tonzylinder befindet sich eine Platin-Elektrode in verdünnter Salpetersäure HNO₃.

Dieser Tonzylinder steht dann in einem Becherglas, das mit verdünnter Schwefelsäure H₂SO₄ gefüllt ist, außerdem befindet sich eine Zink-Elektrode in dem Becherglas mit der Schwefelsäure.

Reaktionen

Zink-Halbzelle

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

Zink-Atome werden zu Zn²⁺-Ionen oxidiert.

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Platin-Halbzelle

$NO_3^{-} + 2 \ H_3O^{+} + e^{-}\to NO_2 + 3 \ H_2O$

Nitrat-Ionen und Oxonium-Ionen, die Bestandteil des Elektrolyten HNO₃ sind, werden an der Platin-Elektrode zu Stickstoffdioxid NO₂ und Wasser H₂O reduziert.

Gesamtreaktion

$Zn + 2 \ NO_3^{-} + 4 \ H_3O^{+} \to Zn^{2+} + 2 \ NO_2 + 6 \ H_2O$

Spannung

Unter Standardbedingungen

Das Standardredoxpotenzial für das System NO₂, H₂O / NO_3^-, H₃O⁺ beträgt +0,80 Volt.

Das Standardredoxpotenzial für das System Zn / Zn²⁺ beträgt -0,76 Volt.

Daraus ergibt sich eine theoretische Spannung von 1,56 Volt unter Standardbedingungen.

Tatsächliche Spannung

Die tatsächlich verwendeten Grove-Elemente lieferten sogar Spannungen bis 1,9 V, was deutlich mehr ist als die Spannung von 1,1 V, die das Daniell-Element lieferte.

Wegen dieser hohen Spannung wurde das Grove-Element in Nordamerika bei den ersten Telegrafieverbindungen als Stromquelle eingesetzt. Gegen den kommerziellen Einsatz sprechen allerdings zwei Gründe: Erstens der hohe Preis für die Platin-Elektroden, und zweitens die schädlichen Stickoxide, die beim Betrieb freigesetzt werden.

Modernere Versionen

In der Abituraufgabe "Das Grove-Element" aus dem Jahre 2021 (NRW) wird eine modernere Version dieses historischen Elements vorgestellt. Das moderne Grove-Element weicht in drei wichtigen Punkten von klassischen Vorbild ab:

1. Die Zink-Elektrode befindet sich wie beim klassischen Vorbild in verdünnter Schwefelsäure, die Platin-Elektrode wird aber durch eine einfache Kohle-Elektrode ersetzt.
2. Die Kohle-Elektrode befindet sich nicht in Salpetersäure, sondern in einer schwefelsauren Lösung von Kaliumperoxodisulfat K₂S₂O₈.
3. Der poröse Tonzylinder, der für Kationen und Anionen jeglicher Art durchlässig ist, wird durch eine Membran ersetzt, die ausschließlich Kationen durchlässt.

Diese moderne Version hat gegenüber der historischen Version mehrere Vorteile:

1. Es ist wesentlich billiger, da die teure Platin-Elektrode durch eine preiswerte Kohle-Elektrode ersetzt wird.
2. Der Elektrolyt (schwefelsaure Lösung von Kaliumperoxodisulfat K₂S₂O₈) hat ein geringeres Gefahrenpotenzial für die Umwelt als die ursprünglich verwendete Salpetersäure, weil hier die Bildung von giftigem Stickstoffdioxid vermieden wird.
3. Die kationensensitive Membran verringert die Störanfälligkeit
4. Das moderne Grove-Element liefert eine höhere Spannung.