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Begriffe

• Voltaische ZelleEine Zelle, z. B. in einer Batterie, in der eine irreversible chemische Reaktion Elektrizität erzeugt; eine Zelle, die nicht wieder aufgeladen werden kann.
• RedoxEine reversible chemische Reaktion, bei der eine Reaktion eine Oxidation und die umgekehrte eine Reduktion ist.
• HalbzelleEiner der beiden Teile einer elektrochemischen Zelle, die eine Elektrode und einen Elektrolyten enthält.

Eine elektrochemische Zelle ist ein Gerät, das einen elektrischen Strom aus der durch eine spontane Redoxreaktion freigesetzten Energie erzeugt. Zu dieser Art von Zelle gehört die galvanische oder voltaische Zelle, benannt nach Luigi Galvani und Alessandro Volta. Diese Wissenschaftler führten im späten 18. Jahrhundert mehrere Experimente zu chemischen Reaktionen und elektrischem Strom durch.

Elektrochemische Zellen haben zwei leitende Elektroden, die Anode und die Kathode genannt werden. Die Anode ist definiert als die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet. Die Kathode ist die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet. Die Elektroden können aus allen ausreichend leitfähigen Materialien wie Metallen, Halbleitern, Graphit und sogar leitfähigen Polymeren hergestellt werden. Zwischen diesen Elektroden befindet sich der Elektrolyt, der Ionen enthält, die sich frei bewegen können.

Die galvanische Zelle verwendet zwei verschiedene Metallelektroden, die sich jeweils in einer Elektrolytlösung befinden. An der Anode findet eine Oxidation und an der Kathode eine Reduktion statt. Das Metall der Anode oxidiert, indem es vom Oxidationszustand 0 (in fester Form) in einen positiven Oxidationszustand übergeht und zu einem Ion wird. An der Kathode nimmt das Metallion in der Lösung ein oder mehrere Elektronen von der Kathode auf, und die Oxidationsstufe des Ions reduziert sich auf 0. Dadurch entsteht ein festes Metall, das sich an der Kathode ablagert. Die beiden Elektroden müssen elektrisch miteinander verbunden sein, um einen Elektronenfluss zu ermöglichen, der das Metall der Anode verlässt und durch diese Verbindung zu den Ionen an der Oberfläche der Kathode fließt. Dieser Elektronenfluss ist ein elektrischer Strom, mit dem Arbeit verrichtet werden kann, z. B. ein Motor oder eine Lampe.

Reaktionsbeispiel

Das Funktionsprinzip der galvanischen Zelle ist eine gleichzeitige Oxidations- und Reduktionsreaktion, eine so genannte Redoxreaktion. Diese Redoxreaktion besteht aus zwei Halbreaktionen. In einer typischen galvanischen Zelle ist das Redoxpaar Kupfer und Zink, das in den folgenden Halbzellenreaktionen dargestellt wird:

Zink-Elektrode (Anode): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-

Kupferelektrode (Kathode): Cu2+(aq) + 2 e- → Cu(s)

Die Zellen werden in separaten Bechern aufgebaut. Die Metallelektroden werden in Elektrolytlösungen getaucht. Jede Halbzelle ist durch eine Salzbrücke verbunden, die den freien Transport von Ionenspezies zwischen den beiden Zellen ermöglicht. Wenn der Stromkreis geschlossen ist, fließt der Strom und die Zelle „produziert“ elektrische Energie.

Kupfer oxidiert Zink leicht; die Anode ist Zink und die Kathode ist Kupfer. Die Anionen in den Lösungen sind Sulfate der jeweiligen Metalle. Wenn eine elektrisch leitende Vorrichtung die Elektroden verbindet, läuft die elektrochemische Reaktion wie folgt ab:

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

Die Zinkelektrode erzeugt zwei Elektronen, wenn sie oxidiert wird (Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-), die durch den Draht zur Kupferkathode wandern. Die Elektronen treffen dann auf das Cu2+ in der Lösung und das Kupfer wird zu Kupfermetall reduziert (Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu). Während der Reaktion wird die Zinkelektrode verwendet und das Metall schrumpft, während die Kupferelektrode durch das abgeschiedene Cu, das entsteht, größer wird. Eine Salzbrücke ist notwendig, damit die Ladung durch die Zelle fließen kann. Ohne eine Salzbrücke würden sich die an der Anode erzeugten Elektronen an der Kathode ansammeln und die Reaktion würde zum Stillstand kommen.

Voltaikzellen werden in der Regel als Stromquelle verwendet. Sie erzeugen von Natur aus Gleichstrom. Eine Batterie ist eine Reihe von parallel geschalteten galvanischen Zellen. Eine Blei-Säure-Batterie hat zum Beispiel Zellen, deren Anoden aus Blei und deren Kathoden aus Bleidioxid bestehen.