Über dieses Experiment
Eine galvanische Zelle wandelt eine chemische Reaktion in elektrische Energie um. Tauchen Sie Zink in Zinksulfat und Kupfer in Kupfersulfat, verbinden Sie die Metalle mit einem Draht und die Lösungen mit einer Salzbrücke, und Elektronen fließen vom Zink zum Kupfer. Jedes Metall hat eine eigene Tendenz, Elektronen abzugeben, die durch sein Elektrodenpotential gemessen wird; die Differenz zwischen den beiden Potentialen ergibt die Spannung. Kombinieren Sie verschiedene Metalle, verändern Sie die Konzentrationen und die Temperatur, schließen Sie dann einen Verbraucher an und beobachten Sie, wie die Zelle im Verlauf der Reaktion nach und nach entladen wird.
Lernziele
- Bestimmen Sie die Anode, die Kathode und die Richtung des Elektronenflusses in einer galvanischen Zelle
- Berechne das Standardzellpotential aus den Standardelektrodenpotentialen
- Stelle die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung einer Zelle auf
- Erkläre mithilfe der Nernst-Gleichung, wie Konzentration und Temperatur die Spannung verändern
- Erkläre die Funktion der Salzbrücke und warum die Spannung einer Zelle schließlich zusammenbricht
Anleitung
- 1Lies bei Zink und Kupfer mit einer Konzentration von 1 M die Spannung am Voltmeter ab. Vergleiche sie mit E°(Cu²⁺/Cu) - E°(Zn²⁺/Zn).
- 2Ersetze Kupfer durch Silber und anschließend durch Magnesium auf der anderen Seite. Welches Paar liefert die größte Spannung, und welche Elektrode ist jeweils die Anode?
- 3Kehre zu Zink und Kupfer zurück. Senke die Kupferionenkonzentration auf 0,01 M. Um wie viel ändert sich die Spannung? Vergleiche das Ergebnis mit der Nernst-Gleichung.
- 4Verwende auf beiden Seiten Kupfer mit Konzentrationen von 1 M und 0,001 M. Warum entsteht eine Spannung, obwohl beide Elektroden aus demselben Metall bestehen?
- 5Klicke auf „Verbraucher anschließen“ und entlade die Zelle. Beobachte die Elektroden, die Farbe der Kupferlösung und den Spannungsverlauf. Wann fällt die Spannung schnell ab?
- 6Verringere den Lastwiderstand. Wie verändert sich dadurch die Stromstärke und wie lange die Zelle hält?
Das Modell
Annahmen
- Für Elektrodenpotentiale werden Standardwerte bei 25 °C und die Nernst-Gleichung mit Konzentrationen anstelle von Aktivitäten verwendet.
- Jedes Becherglas enthält 100 mL. Die Salzbrücke hat einen Widerstand, der zusammen mit den Lösungen als Innenwiderstand von 2 Ω angesetzt wird.
- Der Strom kann nicht größer sein, als durch Diffusion bereitgestellt werden kann: Er ist auf 2 A pro mol/L Ionen an der Kathode begrenzt. Deshalb fällt die Spannung schnell ab, sobald die Kathodenionen aufgebraucht sind.
- Nebenreaktionen, etwa die direkte Reaktion von Zink mit der Säure in der Lösung, werden vernachlässigt. Während sich die Zelle entlädt, vergeht eine Stunde pro Sekunde.
Im Unterricht ausprobieren
- Q1Welches Metall in der Liste ist das stärkste Reduktionsmittel? Woran lässt sich das anhand der Elektrodenpotenziale erkennen?
- Q2Stellen Sie die Gesamtgleichung für eine Zelle aus Magnesium und Silber auf. Wie groß ist ihre Standardzellspannung?
- Q3Warum funktioniert eine Zelle nicht mehr, wenn die Salzbrücke entfernt wird?
- Q4Warum ändert sich die Spannung einer Zink-Kupfer-Zelle während des größten Teils ihrer Lebensdauer kaum und fällt dann plötzlich ab?
- Q5Eine Konzentrationszelle hat auf beiden Seiten dasselbe Metall. Welche Seite ist die Kathode, und was geschieht beim Entladen mit den beiden Konzentrationen?
Häufig gestellte Fragen
Warum ist die Anode in einer galvanischen Zelle negativ, während sie bei der Elektrolyse positiv ist?
An der Anode findet immer eine Oxidation statt. In einer galvanischen Zelle setzt die Oxidation Elektronen im Metall frei, sodass die Anode zum Minuspol wird. Bei der Elektrolyse zieht eine externe Stromquelle Elektronen aus der Anode, weshalb diese mit dem Pluspol verbunden ist.
Welche Funktion hat die Salzbrücke?
Sie ermöglicht den Ionen, zwischen den Lösungen zu wandern, sodass jede elektrisch neutral bleibt, ohne dass sich die Lösungen vermischen. Negative Ionen bewegen sich zur Anode und positive Ionen zur Kathode.
Warum sinkt die Voltmeteranzeige, wenn ein Verbraucher angeschlossen wird?
Wenn Strom fließt, wird ein Teil der EMK dafür aufgewendet, den Strom durch den Innenwiderstand der Zelle zu treiben. Die Spannung am Verbraucher beträgt die EMK minus I mal r.