Daniell Element: Galvanische Zelle und mehr

Daniell Elemente begegnen uns als stille Helfer oft unbemerkt im Alltag - ein Blick hinter die Kulissen dieses chemischen Wunders erweist sich als äußerst spannend.


Auch wenn galvanische Elemente für viele Schüler eher Fluch als Segen sind – das chemische Prinzip, welches hinter einem solchen Vorgang steckt, ist hocheffektiv und dennoch simpel. Mit etwas chemischer Grundkenntnis wird man bei der Beschäftigung mit diesem Thema interessante Einblicke in die Welt der elektrochemischen Prozesse gewinnen.

Galvanische Elemente nach Daniell

  • Um aus chemischer Energie elektrische Energie zu erzeugen, wird eine sogenannte elektrochemische Zellreaktion benötigt. Dabei kamen in den Anfangsjahren der Elektro- und Batterietechnik oftmals sogenannte Daniell Elemente zur Anwendung. Der Name der Daniell Elemente leitet sich vom Nachnamen des englischen Physikers und Chemikers J.F. Daniell ab, der von 1790 bis 1845 lebte. Chemisch gesehen handelt es sich bei einem Daniell Element um eine galvanische Zelle.
  • Mit einem einfachen Experiment lässt sich die Wirkungsweise einer derartigen galvanischen Zelle leicht beschreiben. Dazu werden zunächst zwei Bechergläser mit unterschiedlichen Lösungen gefüllt. Das linke Becherglas enthält dabei eine Lösung aus CuSO (4-). Das andere Becherglas wird mit einer ZnSO(4-)-Lösung aufgefüllt. Beide Bechergläser werden nun als Halbleiterzellen bezeichnet.
  • Das linke Becherglas, Halbleiterzelle 1, enthält durch die hineingefüllte Lösung sogenannte Cu(2+)-Ionen. In Halbleiterzelle 2 hingegen sind Zn(2+)-Ionen nachweisbar. In Halbleiterzelle 1 wird nun ein Kupferblech getaucht, welches über Kabel mit einem Messgerät für Stromspannung verbunden ist.
  • Auch die zweite Halbleiterzelle ist mit diesem Messgerät verbunden, allerdings handelt es sich bei dem verwendeten Blech um eine Platte aus Zink. Verwendet man beispielsweise eine molare CuSO(4-) beziehungsweise ZnSO(4-)-Lösung, so lässt sich eine Zellspannung von 1,1 V erzeugen. Damit ist der gewünschte Effekt erzeugt: Chemische Energie wurde in elektrische Energie umgewandelt.

Galvanische Elemente als Teil unseres Alltags

  • Doch nicht nur Daniell machte sich galvanische Prozesse zunutze. Heute sind zahlreiche verschiedene Vorgänge bekannt, die auf galvanischen Effekten basieren. Das Daniell-Element wurde dabei längst abgelöst. Prinzipiell zählen alle elektrochemischen Zellen, bei denen die Zellreaktion freiwillig und ohne äußere Einflüsse stattfindet, zu der Klasse der galvanischen Zellen. Allerdings muss es sich dabei um eine Reaktion von chemischer in elektrische Energie handeln. Findet eine Umwandlung hingegen von elektrische in chemische Energie statt, so spricht man von einer elektrolytischen Reaktion.
  • Leclanché konstruierte beispielsweise ein Leclanché Element, welches für handelsübliche Zink-Kohle-Batterien grundlegend war. Leclanché entwickelte sein Element 1866. Dementsprechend kann das Leclanché-Element als wesentlich moderner als das Daniell-Element bezeichnet werden. Hierbei stellt ein Zinkbecher die negative Anode dar. Die Katode wird durch einen Grafitstab mit Braunsteinummantelung gebildet, der sich innerhalb des Zinkbechers befindet. Den Elektrolyten bildet hierbei eine Ammoniumchloridlösung. Bei einer solchen Batterie lässt sich eine Spannung von bis zu 1,5 V erzeugen.
  • Die zugrunde liegende chemische Reaktion ist äußerst kompliziert. Grundsätzlich reagieren dabei aber die Stoffe Zn, NH(4+), MnO(2) sowie H(2)O. Natürlich sind für die Anwendung solcher galvanischer Elemente keine derart tief gehende Kenntnisse zur Chemie von Nöten. Galvanische Elemente begegnen uns im Alltag oft unbewusst und sind inzwischen ein nahezu unersetzlicher Teil unseres Lebensstandards geworden. In jeglichen Batterien befinden sich galvanische Elemente. Außerdem nutzen Brennstoffzellen und Konzentrationsketten dieses Prinzip.