Daniell-Element

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Sechs Daniell-Elemente mit äußeren Kupfergefäßen, darin Tontiegel als Diaphragma mit Zinkstab.

Das Daniell-Element (auch Daniell’sches Element) ist eine historische galvanische Zelle, die aus einer Zink- und einer Kupfer-Halbzelle besteht. Sie ist nach John Frederic Daniell benannt, der sie 1836 entwickelte.[1]

Aufbau

Schnittdarstellung Daniell'sches Element, historische Bauform

Ein Zinkstab (Z in der Abbildung) im Inneren der Zelle taucht in eine Lösung aus Zinksulfat. In der historischen Bauform ist die Zinksulfatlösung in einem Behälter aus porösem Steingut (P) gefüllt, welcher seinerseits im Außenbereich in eine Lösung aus Kupfersulfat getaucht ist. Die beiden Sulfatlösungen weisen eine Konzentration von jeweils 1 mol auf. In die Kupfersulfatlösung taucht die zweite Elektrode aus Kupfer, C, ausgeführt als zylinderförmig gebogenes Kupferblech. Die gesamte Zelle ist in einem Außenbehälter J untergebracht. Alternativ kann die Verbindung der beiden Sulfatlösungen in getrennten Behältern auch über ein spezielles U-Rohr mit Diaphragma als Ionenleiter verbunden werden.

Das Diaphragma, auch als Salzleiter bezeichnet und in der ursprünglichen Bauform in Form eines Tiegels aus Steingut realisiert, dient dazu, die Diffusionsdurchmischung der unterschiedlichen Metallkationen aus den beiden Lösungen zu verhindern und dennoch einen Ladungsausgleich durch Anionen durch das poröse Material zu ermöglichen.

In der ursprünglichen Bauform mit Steingut als Diaphragma beträgt der Innenwiderstand einer Zelle rund 10 Ω, was bei einer Elementspannung von 1,1 V einen maximalen Entladestrom im Bereich von 100 mA zulässt. Zur Vermeidung dieses hohen Innenwiderstandes wurden verschiedene Gravity-Daniell-Elemente entwickelt, welche als wesentlicher Unterschied das poröse Diaphragma weglassen. Die Sicherstellung der vertikal übereinander angeordneten Sulfatlösungen wird in verschiedenen konstruktiven Ansätzen wie dem Meidinger-Element, Callaud-Element oder Lockwood-Element durch unterschiedliche Dichten der Sulfatlösungen und durch die Gravitation sichergestellt.

Funktion

Daniell-Element; links die Donatorhalbzelle mit unedlerem Zink; rechts die Akzeptorhalbzelle mit dem edleren Kupfer

Zink hat ein geringeres Standardpotential als Kupfer, d. h., Zink ist unedler als Kupfer und die Lösungstension von Zink ist größer. Deshalb gehen am Zinkstab verhältnismäßig viele Zinkionen in Lösung, während sich am Kupferstab nur relativ wenige Kupferionen ablösen und ihre Elektronen im Metall zurücklassen. In der Zinkelektrode, dem negativen Pol und in diesem Fall die Anode, werden wie im Schaubild sichtbar mehr Elektronen zurückgelassen, weswegen sie negativer geladen ist als der Kupferstab, was den Aufbau einer elektrischen Spannung bedeutet.

Die überschüssigen Elektronen im oxidierenden Zink (Zn) wandern über einen Leiter vom Zink zum Kupfer (Cu). Dabei lässt sich bei Standardbedingungen eine Spannung von 1,10 V messen. Dies ist die elektrische Quellenspannung, die sich aus dem Redoxpotential von Kupfer (E0(Cu) = +0,34 V) und dem von Zink (E0(Zn) = −0,76 V) zusammensetzt.

Die gelösten Kupferionen nehmen die Elektronen auf und lagern sich als Kupfer an der Elektrode, in diesem Fall der Kathode, ab. Da auf der einen Seite positive Zinkionen in Lösung gehen und sich auf der anderen Seite Kupfer ablagert, muss ein Ladungsausgleich stattfinden; dies geschieht über die Salzbrücke. So wird der Stromkreis geschlossen.

Die beiden Teilvorgänge der Redoxreaktion können also räumlich getrennt werden. Die Elektronen gehen nicht direkt vom System Zn/Zn2+ auf das System Cu/Cu2+ über, sondern wandern zuerst über einen Draht vom Zink zum Kupfer. Es fließt ein Elektronenstrom.

Die beiden getrennten Teilsysteme nennt man „Halbzellen“. Die Zinkelektrode löst sich mit der Zeit infolge der Korrosion auf, während die Kupferelektrode an Masse zunimmt. Es liegen 2 Redoxpaare (Zn/Zn2+ sowie Cu/Cu2+) vor.

Reaktionsgleichung:

Zellendiagramm: Zn/Zn2+//Cu2+/Cu
Reduktion: $ \mathrm{\ Cu^{2+} + 2 e^{-} \rightarrow Cu} $
Oxidation: $ \mathrm{\ Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2 e^{-}} $
Gesamtreaktion (Redoxreaktion): $ \mathrm{\ Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu} $

Weblinks

Einzelnachweise

  1. William Edward Ayrton: Practical Electricity, London, Cassell, 1891 Online

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