Ausgehend von den vor rund 200 Jahren an Froschschenkeln entdeckten elektrochemischen Vorgängen durch Luigi Galvani (1737 - 1798)

Luigi Galvani (1737 - 1798)

befasst sich die Sendung schwerpunktmäßig mit elektrochemischen Halbzellen, der Redoxreihe der Metalle und Nichtmetalle sowie mit galvanischen Elementen. Der Beitrag gliedert sich in fünf Sequenzen.

Elektrochemische Halbzellen

Betrieb einer Digitaluhr mithilfe einer "Zitronenbatterie"

Ein Experiment, bei dem man mithilfe einer Zitrone sowie mit Kupfer- und Zinkelektroden Strom erzeugt, leitet zunächst über zu den elektrochemischen Halbzellen.

Silberabscheidung am Kupferblech

Eine der vorgestellten Halbzellen besteht dabei aus gelöstem Kupfersulfat und metallischem Silber, eine andere aus Silbernitratlösung und metallischem Kupfer. Während am Silber auch nach längerer Reaktionszeit keine Veränderung feststellbar ist, erkennt man am Kupfer eine deutliche Verfärbung. Unter dem Mikroskop kann man diese als Silberkristalle identifizieren.

Silberkristalle unter dem Mikroskop

Ein Reaktionsschema macht deutlich, dass es sich bei der Reaktion zwischen Kupfer und Silbernitrat um eine Elektronenübertragung vom Kupfer zu den Silber-Ionen der Silbernitratlösung handelt, wodurch elementares Silber entsteht. Wir haben es hier mit einer Redoxreaktion zu tun, bei der das Gleichgewicht stark auf die Seite des elementaren Silbers verschoben ist. Der Grund dafür ist darin zu sehen, dass das unedlere Metall Kupfer Elektronen leichter abgibt als das edlere Metall Silber.

In diesem Zusammenhang klärt die Sequenz auch noch die Begriffe Reduktionsmittel als Elektronenspender und Oxidationsmittel als Elektronenempfänger.

Redoxreihe der Metalle

In einer experimentellen Versuchsreihe werden die Metalle Zink, Eisen und Kupfer in unterschiedliche Salzlösungen gegeben, um ihre Stärke als Elektronenspender oder als Elektronenempfänger festzustellen. Eine Graphik veranschaulicht dazu die sogenannte Redoxreihe, in die die verschiedenen korrespondierenden Redoxpaare entsprechend ihrer Stärke als Reduktions- oder Oxidationsmittel eingereiht sind.

Redoxreihe der Nichtmetalle

In einem Experiment gibt man eine Lösung, die farblose Iod-Ionen enthält, zu einer hellbraunen Brom-Lösung, wobei eine Dunkelfärbung durch den Ausfall von elementarem Iod auftritt. Umgekehrt ist beim Mischen einer Iod-Lösung mit Brom-Ionen kein Ausfall von Brom zu beobachten.

Ein Reaktionsschema klärt den Unterschied auf: Je stärker ein Reduktionsmittel ist, umso schwächer ist das korrespondierende Oxidationsmittel (und umgekehrt).

Galvanische Elemente

Elektrische Doppelschicht bei Zink in Zinksulfat

Am Beispiel von zwei Halbzellen aus dem unedleren Metall Zink (Elektrode) und Zinksulfat (als Elektrolyt, der Zink-Ionen enthält) sowie aus dem edleren Metall Kupfer (Elektrode) und Kupfersulfat (als Elektrolyt, der Kupfer-Ionen enthält)

Elektrische Doppelschicht bei Kupfer in Kupfersulfat

demonstriert ein Modell das Zustandekommen einer elektrischen Doppelschicht. Diese entsteht durch die Tendenz der Metalle, Ionen an einen Elektrolyten abzugeben, wodurch das Metall negativ, der Elektrolyt positiv geladen wird.

Elektronendruck vom unedlen zum edleren Metall

Da unedlere Metalle (z. B. Zink) Ionen leichter abgeben als edlere (z. B. Kupfer), verbleiben im unedleren Metall mehr Elektronen. Deshalb entsteht dort nicht nur der Minuspol, sondern auch ein starker Elektronendruck. Analog dazu bildet sich am edleren Metall der Pluspol.

Galvanisches Element aus einer Zink-Zinksulfat- und einer Kupfer-Kupfersulfat-Halbzelle

Verbindet man die beiden Halbzellen, entsteht ein galvanisches Element, in dem die Elektronen zum edleren Metall (zur Kupferelektrode) gedrängt werden. Schließt man den Stromkreis, kann dauernd Strom fließen und beispielsweise einen Elektromotor antreiben.

Leclanché-Element

Leclanché-Element mit einer Zink- und einer Kohleelektrode

In der Praxis hat sich für galvanische Elemente – statt der Kupfer-Zink-Elektroden – eine andere Bauweise bewährt: Man benutzt anstelle der Kupfer-Elektrode eine mit Braunstein ummantelte Kohleelektrode und verwendet als Elektrolyt Zinkchlorid. Der Braunstein hat nur eine Hilfsfunktion, er oxidiert den entstehenden Wasserstoff zu Wasser. Die zweite (negative) Elektrode besteht aus Zinkblech. Dieses sogenannte Leclanché-Element liefert eine Spannung von 1,5 Volt. Im täglichen Leben finden Leclanché-Elemente besonders als Batterien für Taschenlampen, Spielzeug oder kleine Elektrogeräte häufig Verwendung.