Galvanische Zelle einfach erklärt – Aufbau, Funktion und Chemie

Jede Halbzelle eines galvanischen Elements besteht aus verschiedenen metallischen Elektroden, die in eine Elektrolytlösung tauchen. Verbunden sind die Halbelemente über einen Draht. Je unedler das Metall ist, desto höher sein Bestreben, Elektronen abzugeben. Es findet also eine Oxidation statt. Das Metall geht dabei in Lösung. Dieser Vorgang findet am Minuspol, der Anode, statt. Die Elektronen fließen über den Draht zur Halbzelle mit dem edleren Metall. Die Elektrode gibt die Elektronen an die Elektrolytlösung ab. Kationen, also positiv geladene Ionen, in der Lösung nehmen die Elektronen auf und werden reduziert. Dieser Vorgang findet am Pluspol, der Kathode, statt. Die beiden Halbzellen sind durch eine poröse Membran, die für bestimmte Ionen durchlässig ist, getrennt. Diese Trennwand trägt in der Chemie die Bezeichnung Diaphragma. Über das Diaphragma einer galvanischen Zelle erfolgt der Ladungsausgleich und der Stromkreis wird geschlossen. Die Vorgänge in einem galvanischen Element sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Als konkretes Beispiel einer galvanischen Zelle werden hier die Vorgänge an dem sogenannten Daniell-Element erläutert. Das Daniell-Element ist eine galvanische Zelle aus einer Zinkelektrode in einer Zinksulfatlösung und einer Kupferelektrode in einer Kupfersulfatlösung. Die Zinkelektrode bildet die Anode, die Kupferelektrode die Kathode. Zink wird oxidiert und die abgegebenen Elektronen wandern zur Kupferelektrode. Hier reduzieren sie Kupferionen zum Kupfer, das sich an der Kupferelektrode abscheidet. Für diesen Vorgang ist folgende Schreibweise üblich:

Zn/Zn2+//Cu2+/Cu

Die Reaktionen in einem Daniell-Element werden durch folgende Reaktionsgleichungen beschrieben:

Anode: Zn → Zn2+ + 2e–

Kathode: Cu2+ + 2e– → Cu

Das Daniell-Element ist also eine galvanische Batterie, genauer gesagt eine Zink-Kupfer-Batterie. Batterien liefern für eine begrenzte Zeit elektrischen Strom. Die Elektroden werden irgendwann unbrauchbar, z. B. löst sich die Zinkelektrode im gerade vorgestellten Beispiel auf. Batterien werden auch als Primärelemente bezeichnet. Weitere Beispiele für galvanische Zellen, die als Batterien funktionieren, sind das Leclanche-Element und die Alkali-Mangan-Batterie.

Im Gegensatz zu Batterien können Akkumulatoren oder Sekundärelemente immer wieder aufgeladen werden. Beispiele hierfür sind der Zink-Iod-Akku und der Lithium-Ionen-Akku.

Ein weiteres Beispiel für eine galvanische Zelle ist die Brennstoffzelle. Ein typisches Beispiel ist die Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle mit einer Wasserstoffhalbzelle und einer Sauerstoffhalbzelle. Die Gase werden an Nickelelektroden in die Elektrolytlösung eingeblasen, die aus Kalilauge besteht. Die Redoxreaktion in dieser Brennstoffzelle wird durch folgende Reaktionsgleichungen beschrieben:

Anode: 2H2 + 4OH– → 4H2O + 4e–

Kathode: O2 + 2H2O + 4e– → 4OH–

Von der galvanischen Zelle zu unterscheiden ist die Elektrolyse. Auch bei der Elektrolyse handelt es sich um eine elektrochemische Zelle. Allerdings findet bei der Elektrolyse eine erzwungene Redoxreaktion statt. Es ist also die Umkehrung eines galvanischen Elements. Bei der Elektrolyse wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Durch Elektrolyse können Materialien galvanisiert werden. Einfach erklärt bedeutet galvanisieren die Herstellung eines metallischen Überzugs. Zum Beispiel können galvanische Überzüge aus Gold, Silber, Chrom etc. hergestellt werden.