Galvanische Elemente

Wirkungsprinzip und Unterschied zu gewöhnlichen Reaktionen

Die Funktionsweise jedes galvanischen Elements basiert auf einer Oxidation-Reduktion-Reaktion (Redoxreaktion). Diese läuft jedoch unter besonderen Bedingungen ab.

Wenn man Oxidationsmittel und Reduktionsmittel einfach in einem Gefäß misst, führt ihr direkter Kontakt zu einem chaotischen Elektronenaustausch. Eine gerichtete Bewegung geladener Teilchen findet in einem solchen System nicht statt, sodass kein elektrischer Strom entsteht und die gesamte freigesetzte chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt und im Raum verteilt wird.

In einem galvanischen Element sind Oxidationsmittel und Reduktionsmittel räumlich getrennt. Ein direkter Kontakt zwischen ihnen ist ausgeschlossen. Aus diesem Grund können die Elektronen nicht direkt von einem Stoff zum anderen übergehen. Ihr einziger Weg führt durch einen äußeren Metallleiter (den Stromkreis), der die beiden Pole des Elements verbindet. Genau dieser gerichtete Elektronenfluss stellt den elektrischen Strom dar. Die Energie chemischer Bindungen wird in Form elektrischer Energie freigesetzt.

Aufbau des Zink-Kohle-Elements (Le-Clanché-Element)

Betrachten wir den klassischen Aufbau eines trockenen galvanischen Elements am Beispiel eines Systems mit Zink und Mangan. Dieses Element besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, von denen jede eine bestimmte Funktion erfüllt:

• Anode (Reduktionsmittel, Minuspol „−“): Besteht aus einem äußeren Zinkbecher (Zn). Die Oberfläche dieses Bechers lädt sich während des Betriebs negativ auf.
• Kathode (Oxidationsmittel, Pluspol „+“): Die Rolle der Kathode übernimmt der zentrale Graphitstab (C). Um ihn herum ist eine Mischung aus Kohlepulver und Mangan(IV)-oxid (MnO_2) dicht gepresst.
• Elektrolyt (leitfähiges Medium): Der Innenraum zwischen den Elektroden ist mit einer dicken Paste gefüllt. Sie besteht aus Wasser, Ammoniak (NH_3), Ammoniumchlorid (NH_4Cl) und Stärke, die als Verdickungsmittel dient und ein Auslaufen der Flüssigkeit verhindert.
• Versiegelung: Die gesamte Anlage ist oben dicht mit Bitumen verschlossen, was ein Austrocknen des Elektrolyten und das Eindringen von Luft verhindert.

Funktionsweise: Vorgänge an den Elektroden

Wenn wir den äußeren Stromkreis schließen (z. B. eine Glühlampe über einen Leiter mit dem Zinkbecher und dem Graphitstab verbinden), entstehen an den Phasengrenzen (Lösung/Metall und Lösung/Oxid) Potenzialsprünge und es beginnt eine gerichtete Bewegung von Elektronen von Zink zu Graphit. Der Prozess lässt sich in zwei Halbreaktionen unterteilen.

1. Prozess an der Anode (Zinkoxidation) Zinkatome an der Oberfläche des Bechers geben ihre Elektronen ab, welche in den äußeren Stromkreis abfließen. Die entstandenen Zinkkationen gehen in die Elektrolytschicht über. Dort binden sie sich sofort an Ammoniakmoleküle und bilden ein Komplexion. Die Gleichung der Halbreaktion lautet wie folgt: Zn + 4NH_3 → [Zn(NH_3)_4]^{2+} + 2e^-

2. Prozess an der Kathode (Manganreduktion) Über den äußeren Stromkreis gelangen die Elektronen zum Graphitstab und werden an das Mangan(IV)-oxid übertragen. Manganatome nehmen diese Elektronen auf und senken ihre Oxidationsstufe von +4 auf +3 ab. Dabei wird Sauerstoff in Form von O^{2-}-Ionen freigesetzt, die in die Elektrolytpaste übergehen und sich mit den von Ammoniumionen abgegebenen Protonen verbinden. Die Gleichung der Kathodenhalbreaktion lautet: 2MnO_2 + 2NH_4^+ + 2e^- → Mn_2O_3 + 2NH_3 + H_2O

Gesamtreaktionsgleichung Durch Addition beider Halbreaktionen erhalten wir die Bruttogleichung des chemischen Prozesses, der den Betrieb des Zink-Mangan-galvanischen Elements gewährleistet. Im Verlauf dieser Reaktion entstehen das Zinkkomplexion, Mangan(III)-oxid und Wasser: Zn + 2MnO_2 + 2NH_4^+ + 2NH_3 = [Zn(NH_3)_4]^{2+} + Mn_2O_3 + H_2O

Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema

Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt

• Der Mechanismus des Potenzialsprungs an Phasengrenzen
• Komplexbildung von Zinkionen in Ammoniaklösung
• Thermodynamik von Redoxreaktionen
• Die Rolle von Ammoniumchlorid im Elektrolyten

Weitere Themen aus dem Kapitel „Kapitel 7. Klassifizierung chemischer Reaktionen nach elektronischen Prozessen“

Das Material wurde von Dozenten von WhiteCoat Pro nach dem Lehrplan medizinischer Hochschulen erstellt. Es hat Bildungscharakter.