Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 17.01.14


Daniell - Element

Vortrag von Martin Schmitt im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 11/12


Gliederung:


Das Element ist nach John F. Daniell benannt, der es bereits 1836 entwickelte. Das Prinzip ist hierbei, dass chemische in elektrische Energie umgewandelt wird. Das Daniell-Element liefert Strom, weil aufgrund der unterschiedlichen Standardpotenziale der Halbzellen eine Spannung entsteht und durch eine elektrisch- und ionisch-leitende Verbindung ein geschlossener Stromkreis hergestellt wird.


1 Aufbau

Das Daniell-Element ist eine spezielle, historische Galvanische Zelle. Es besteht aus einer Zink- und einer Kupferhalbzelle, die räumlich voneinander getrennt sind. Dabei sind sie sowohl elektrisch leitend durch einen Draht als Elektronenleiter, als auch ionisch leitend durch eine Ionenbrücke verbunden. Diese Ionenbrücke besteht zumeist aus einem U-Rohr, welches mit einer gesättigten Kaliumchlorid-Lösung gefüllt und an den Enden durch eine Membran versehen ist. Die Konzentrationen der Zink- bzw. Kupfersulfatlösung betragen jeweils 1 mol/l.


Abb. 1: Schema eines Daniell-Elements

Elektroden-Prozess in pptx-Animation


2 Entstehen der Spannung

Die verschiedenen Metalle besitzen ein unterschiedliches Redoxpotenzial, sie haben eine unterschiedliche Lösungstension. In anderen Worten: Das eine Metall (hier: Kupfer) ist edler als das andere (hier: Zink). Wenn diese Halbzellen nun elektrisch leitend miteinander verbunden werden, kann eine Spannung gemessen werden. Dabei fließen die Elektronen über einen Draht, an dem ein Voltmeter angeschlossen ist, von der Zink- zur Kupferelektrode. Die Zinkatome werden oxidiert, währen Kupferionen aus der Lösung zu elementarem Kupfer reduziert werden.

Oxidation:         Zn → Zn2+ + 2e-

Reduktion:        Cu2+ + 2e- → Cu

Redoxreaktion: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

Die Berechnung der Spannung erfolgt anhand der Formel der elektromotorischen Kraft (EMK), bei der die Differenz der beiden Halbzellenpotenziale gebildet wird:

ΔE = E0Kathode - E0Anode = E0Kupfer - E0Zink = 0,34 V - (-0,76 V) = 1,10 V

Dies ist eine Leerlaufspannung. Das heißt, dass diese Spannung auf der Ausgangsseite gemessen wird, wenn kein Verbraucher (z.B. eine LED) angeschlossen ist. Es fließt also zunächst kein Strom, wodurch auch keine Spannung über den Innenwiderstand der Spannungsquelle abfällt.


3 Entstehung des Stromflusses

Mit der Zeit würde sich die Zinksulfat-Lösung positiv aufladen, sodass keine Zinkionen mehr in Lösung gehen. Auf der anderen Seite würde sich die Kupfersulfat-Lösung negativ aufladen, da viele Kupferionen reduziert wurden und die negativ geladenen Sulfationen übrig bleiben. Es muss also eine Möglichkeit zum Ladungsausgleich geben. Eine Salzbrücke (Ionenbrücke) ermöglicht es, dass Ionen ausgetauscht werden können. Anionen aus der Salzlösung (z.B. Chlorid-Ionen) wandern zur Zink-Halbzelle, während die Kationen (z.B. Kalium-Ionen) zur Kupfer-Halbzelle wandern, um dort die Ladung der nun reduzierten Kupferionen auszugleichen. Somit ist der Stromkreis geschlossen.

Kurzschreibweise:

Zn│Zn2+║Cu2+│Cu

Experiment

Ein kleiner Elektromotor wird an ein Daniell-Element angeschlossen. Der Propeller dreht sich.

Experiment Herstellen eines Daniell-Elements, sowie Messung der Spannung und Anschluss eines Stromabnehmers
Material
  • 3 Bechergläser 250mL
  • Spannungsmessgerät
  • Kupfer-Elektrode
  • Zink-Elektrode
  • 2 saugfähige Papierstreifen (ca. 20 cm)
  • Motor mit Propeller
Chemikalien
  • gesättigte Kaliumchloridlösung     (34g /100 mL)
 
  • Kupfersulfat-Lösung (1mol/L)
  • Zinksulfat-Lösung (1mol/L)
Durchführung Herstellen der Elektronenleitung durch Anschluss der Elektroden an das Spannungsmessgerät. Herstellen einer Ionenleitung durch die Verbindung der Halbzellen mit der Salzbrücke. Dazu die Papierstreifen in die gesättigte KCl-Lösung und jeweils in die Kupfer- bzw. Zinksulfat-Lösung tauchen.
Beobachtung Der Propeller dreht sich. Die Spannung ist am Messgerät ablesbar.
Interpretation Durch Elektronen- und Ionenleiter wurde ein geschlossener Stromkreis hergestellt. Falls nicht der errechnete Spannungswert von 1,10 V angezeigt wird (kleinerer Wert), kann es daran liegen, dass die Salzbrücke nicht ideal oder die Oberflächen der Elektroden nicht sauber genug sind.

4 Heutige Bedeutung

Galvanische Prozesse in der Industrie: Beschichtung von unedlen Metallen mit edleren. Somit kann z.B. ein Korrosionsschutz erreicht werden. Verchromte Duschköpfe, Wasserhähne, Autoteile. Dadurch sind auch viele Autoteile aus Kunststoffen möglich, was eine große Gewichtsersparnis mit sich bringt.

Abb. 2: Verchromter Duschkopf [5] Abb. 3: Verzinkte Transportkiste [6]

5 Literatur:

  1. Atkins, P.: Physikalische Chemie,4.Auflage, Weinheim.
  2. Mortimer, Ch./Müller, U.: Chemie, 8.Auflage, Thieme Verlag, Stuttgart.
  3. http://de.wikipedia.org/wiki/Daniell-Element (22.11.2011)
  4. http://de.wikipedia.org/wiki/Galvanische_Zelle (22.11.2011)
  5. http://relaxdays.de/media/image/thumbnail/duschkopf-set-verchromt-inkl-edelstahlschlauch-10015456_0_1_800x800.jpg (14.01.2014)
  6. http://www.ssi-schaefer-aktion.de/media/catalog/product/cache/1/
    image/9df78eab33525d08d6e5fb8d27136e95/8/0/8060.jpg (14.01.2014)

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 17.01.14