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Lexikon Chemie

Galvanisches Element

[nach Luigi Galvani; * 1737, † 1798]: Elektrochemische Zelle, in der die freie Energie eines chemischen oder physikalischen Vorgangs in freie elektrische Energie umgewandelt wird. Ein galvanisches Element bestehen im einfachsten Fall aus zwei verschiedenen Metallen (Kathode und Anode), die miteinander sowohl elektrolytisch als auch metallisch leitend (über einen Verbraucher) verbunden sind. Zwischen den Metallen tritt dabei eine Spannung auf, die eine Folge der zwischen Metallen und Flüssigkeiten entstehenden Berührungsspannung ist. Diese Berührungsspannungen werden elektrolytische Potenziale (Galvani-Potenziale) genannt. Da aus jedem Metall geringe Mengen von positiven Metall-Ionen in die umgebende Flüssigkeit treten, lädt sich das Metall jeweils gegen den Elektrolyten negativ auf. An der Grenze zwischen Metall und Flüssigkeit entsteht eine elektrische Doppelschicht, deren elektrisches Feld die Ionen wieder auf das Metall zurücktreibt. Das elektrische Feld ist umso größer, je höher die Ionendichte in der Flüssigkeit ist. Außerdem werden auch durch Diffusion in Lösung befindliche Ionen an das Metall zurückgetrieben und treten in dieses wieder ein. Ist die Anzahl der in der Zeiteinheit durch Rückdiffusion und durch die Wirkung des elektrischen Feldes in der Grenzschicht wieder in das Metall eintretenden Ionen gleich der in Lösung gehenden, so stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein. Zwischen Metall und Flüssigkeit herrscht dann ein elektrolytisches Potenzial, das von der Art des Metalls und der Flüssigkeit abhängt.

Befinden sich nun zwei verschiedene Metalle in einer Flüssigkeit, so sind ihre elektrolytischen Potenziale φ1 und φ2 gegen die Flüssigkeit i. A. voneinander verschieden. Zwischen den Metallen herrscht dann eine Spannung oder Potenzialdifferenz U12 = φ1 – φ2. Die Zellreaktion läuft freiwillig ab, wenn φ1 > φ2 ist. Metall 2 ist dann die negative Elektrode (Anode), wird also oxidiert, Metall 1 ist die positive Elektrode und wird reduziert (Reduktion und Oxidation).

  • Die Elektrode, an welcher der Oxidationsprozess abläuft, wird als Anode bezeichnet. Durch die Übertragung von Elektronen auf die metallische Phase wird die Anode negativ.
  • Die Elektrode, an der der Reduktionsprozess abläuft, bezeichnet man als Kathode. Da hierzu Elektronen aus der metallischen Phase abgezogen werden, lädt sich die Kathode positiv auf.

Werden die beiden Elektroden leitend miteinander verbunden, so fließt ein Strom. Dabei wandern im äußeren Leiter Elektronen von der negativen zur positiven Elektrode; sie werden dort auf die Ionen des Metalls 1 übertragen, das aus der Lösung abgeschieden wird. Zum Ausgleich gehen weitere Ionen von Metall 2 in Lösung. Der Strom fließt so lange, bis sich entweder die negative Elektrode vollständig aufgelöst hat oder die Ionen von Metall 1 verbraucht sind.

Es gibt auch galvanische Elemente, bei denen beide Elektroden aus dem gleichen Metall bestehen, die aber in Metallsalzlösungen unterschiedlicher Konzentration eintauchen (Konzentrationselemente). Die Lösungen müssen dabei durch ein Diaphragma oder einen Stromschlüssel voneinander getrennt sein, damit eine Durchmischung unterbleibt. In den Lösungen entstehen wegen des Konzentrationsunterschieds verschiedene Galvani-Potenziale, weshalb zwischen den Elektroden eine Spannung herrscht. Von der technischen Ausführung her wird zwischen nicht regenerierbaren Primärelementen (z. B. Trockenelement, Daniell-Element) und den regenerierbaren Sekundärelementen (Akkumulator, Energiespeicher) unterschieden. Das historisch älteste galvanische Element ist das Volta-Element. Bei ihm tauchen ein Zink- und ein Kupferstab in eine Kupfer(II)-sulfatlösung. Zwischen den Elektroden herrscht eine Spannung von 1 Volt.
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