Die Daniell-Zelle - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Biologie, Klasse 9-10, G-Niveau

Die Daniell-Zelle - Chemie

Fach: Chemie Zielgruppe: Schule, besonders Sekundarstufe I und Einstieg in die Sekundarstufe II Thema: Elektrochemie, Redoxreaktion und Umwandlung chemischer in elektrische Energie

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Einleitung

Die Daniell-Zelle, auch Daniell-Element genannt, ist eine klassische galvanische Zelle. Sie besteht aus einer Zink-Halbzelle und einer Kupfer-Halbzelle. Eine freiwillig ablaufende Redoxreaktion liefert elektrische Energie. Dabei fließen Elektronen durch einen äußeren Leiter von der Zinkelektrode zur Kupferelektrode.

Das Modell eignet sich besonders gut, um die Begriffe Oxidation, Reduktion, Anode, Kathode, Elektrolyt und Salzbrücke zu verstehen. Unter Standardbedingungen beträgt die Zellspannung ungefähr 1,10 Volt.

Lernziele

1. Aufbau der Daniell-Zelle: Du kannst die Bestandteile einer Daniell-Zelle benennen und in einer Skizze zuordnen.
2. Redoxreaktion: Du kannst die Oxidation, die Reduktion und die Gesamtreaktion formulieren.
3. Ladungstransport: Du kannst den Weg der Elektronen und die Aufgabe der Salzbrücke erklären.
4. Zellspannung: Du kannst die Spannung aus Standardelektrodenpotentialen bestimmen.
5. Experimentelle Deutung: Du kannst typische Beobachtungen mit Teilchenvorgängen verbinden.

Aufbau und Materialien

Die Schulform der Daniell-Zelle besteht aus zwei räumlich getrennten Halbzellen. In der einen Halbzelle taucht eine Zinkelektrode in Zinksulfatlösung. In der anderen taucht eine Kupferelektrode in Kupfer(II)-sulfatlösung. Ein Kabel verbindet die Metalle. Eine Salzbrücke oder ein Diaphragma stellt die Ionenleitung zwischen den Lösungen her.

Bauteil	Stoff oder Material	Aufgabe
Zink-Halbzelle	Zinkelektrode in Zinksulfatlösung	Ort der Oxidation
Kupfer-Halbzelle	Kupferelektrode in Kupfer(II)-sulfatlösung	Ort der Reduktion
Äußerer Leiter	Kabel mit Messgerät oder Verbraucher	Transport der Elektronen
Salzbrücke	Ionenleitende Salzlösung in einem porösen Material	Ladungsausgleich zwischen den Halbzellen

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Elektroden und Elektrolyte

Zink ist unedler als Kupfer und gibt leichter Elektronen ab. Deshalb bildet die Zinkelektrode in der arbeitenden Daniell-Zelle die Anode und den Minuspol. Die Kupferelektrode ist die Kathode und der Pluspol.

Die Salzlösungen sind Elektrolyte. Ihre beweglichen Ionen transportieren Ladung innerhalb der Zelle. Die typische blaue Farbe der Kupfer(II)-sulfatlösung stammt von hydratisierten Kupfer(II)-Ionen.

Die Salzbrücke

Ohne Salzbrücke würde sich in der Zink-Halbzelle zunehmend positive Ladung ansammeln, während in der Kupfer-Halbzelle positive Kupferionen verbraucht würden. Der Elektronenfluss käme schnell zum Stillstand. Die Salzbrücke ermöglicht die Wanderung von Ionen und hält beide Lösungen annähernd elektrisch neutral. Anionen wandern zur Zink-Halbzelle, Kationen zur Kupfer-Halbzelle.

Funktionsweise

Oxidation an der Zinkelektrode

An der Zinkelektrode geben Zinkatome Elektronen ab und gehen als Zinkionen in Lösung:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{\to }\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}$

Die Zinkelektrode verliert dadurch mit der Zeit Masse. Da Elektronen abgegeben werden, findet hier die Oxidation statt.

Reduktion an der Kupferelektrode

Kupfer(II)-Ionen aus der Lösung nehmen an der Kupferelektrode Elektronen auf. Es entsteht metallisches Kupfer:

$\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{\to }\mathrm{C}\mathrm{u}$

Das abgeschiedene Kupfer kann die Masse der Kupferelektrode erhöhen. Da Elektronen aufgenommen werden, findet hier die Reduktion statt.

Gesamtreaktion und Elektronenfluss

Werden beide Teilgleichungen addiert, erhältst Du die Gesamtreaktion:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{\to }\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{u}$

Die Elektronen fließen im äußeren Stromkreis vom Zink zum Kupfer. Die räumliche Trennung der Teilreaktionen zwingt die Elektronen, den Weg durch das Kabel zu nehmen. Dadurch kann ein Messgerät oder ein kleiner Verbraucher elektrische Energie nutzen.

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Zellschreibweise

Die Daniell-Zelle kann verkürzt so notiert werden:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{|}\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{|}\mathrm{|}\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{|}\mathrm{C}\mathrm{u}$

Ein einfacher senkrechter Strich trennt eine Phase von einer anderen. Der doppelte Strich steht für die Verbindung der beiden Halbzellen, zum Beispiel durch eine Salzbrücke.

Zellspannung

Die Standardspannung ergibt sich aus der Differenz der Standardelektrodenpotentiale. Für die beiden Redoxpaare gelten näherungsweise:

${\mathrm{E}}^{\mathrm{\circ }}\mathrm{(}\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}/\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{)}\mathrm{=}\mathrm{+}\mathrm{0,34}\mathrm{V}$

${\mathrm{E}}^{\mathrm{\circ }}\mathrm{(}\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}/\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{)}\mathrm{=}\mathrm{-}\mathrm{0,76}\mathrm{V}$

Damit folgt:

${\mathrm{E}}_{\mathrm{Z}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{e}}^{\mathrm{\circ }}\mathrm{=}{\mathrm{E}}_{\mathrm{K}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{h}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{e}}^{\mathrm{\circ }}\mathrm{-}{\mathrm{E}}_{\mathrm{A}\mathrm{n}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{e}}^{\mathrm{\circ }}$

${\mathrm{E}}_{\mathrm{Z}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{e}}^{\mathrm{\circ }}\mathrm{=}\mathrm{+}\mathrm{0,34}\mathrm{V}\mathrm{-}\mathrm{(}\mathrm{-}\mathrm{0,76}\mathrm{V}\mathrm{)}\mathrm{=}\mathrm{1,10}\mathrm{V}$

Die gemessene Spannung kann etwas abweichen. Gründe sind beispielsweise andere Ionenkonzentrationen, die Temperatur, verschmutzte Elektroden oder der Innenwiderstand der Zelle.

Beobachtungen im Schulversuch

Beobachtung	Deutung
Das Voltmeter zeigt eine Spannung nahe 1,1 Volt.	Die getrennte Redoxreaktion erzeugt eine elektrische Potentialdifferenz.
Die Zinkelektrode wird mit der Zeit leichter.	Zinkatome werden zu Zinkionen oxidiert.
Auf der Kupferelektrode kann sich rötliches Kupfer abscheiden.	Kupfer(II)-Ionen werden reduziert.
Die blaue Lösung kann bei längerer Entladung schwächer gefärbt werden.	Die Konzentration der Kupfer(II)-Ionen nimmt ab.
Ohne Salzbrücke fällt die Spannung rasch ab.	Der notwendige Ladungsausgleich ist unterbrochen.

Sicherheit im Schulversuch

Ein Aufbau mit Metallsalzlösungen wird nur nach Anweisung der Lehrkraft durchgeführt. Trage eine Schutzbrille, vermeide Hautkontakt und nimm keine Stoffe in den Mund. Lösungen und Metallreste werden als Chemikalienabfall gesammelt und nicht ohne Anweisung in den Ausguss gegeben. Nach dem Experiment werden die Hände gewaschen.

Geschichte und Bedeutung

Der britische Chemiker und Physiker John Frederic Daniell entwickelte die Zelle im Jahr 1836. Seine Bauform lieferte einen gleichmäßigeren Strom als viele frühere Zellen. Historische Daniell-Elemente nutzten häufig ein poröses Gefäß als Trennwand zwischen den Elektrolyten. Später wurden Varianten unter anderem für die elektrische Telegrafie eingesetzt.

Von der Daniell-Zelle zu modernen Batterien

Die Daniell-Zelle ist ein gut verständliches Grundmodell für Batterien. Auch moderne galvanische Zellen trennen Oxidation und Reduktion räumlich und nutzen einen äußeren Elektronenleiter sowie einen inneren Ionenleiter. Die verwendeten Stoffe, Spannungen, Bauformen und Möglichkeiten zum Wiederaufladen unterscheiden sich jedoch deutlich.

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Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Aus welchen beiden Metall-Halbzellen besteht die Daniell-Zelle? (Zink und Kupfer) (!Eisen und Aluminium) (!Silber und Gold) (!Magnesium und Blei)

An welcher Elektrode findet die Oxidation statt? (An der Zinkelektrode) (!An der Kupferelektrode) (!In der Salzbrücke) (!Am Voltmeter)

Welche Elektrode ist in der arbeitenden Daniell-Zelle der Pluspol? (Die Kupferelektrode) (!Die Zinkelektrode) (!Die Salzbrücke) (!Der äußere Draht)

In welche Richtung fließen die Elektronen im äußeren Leiter? (Vom Zink zum Kupfer) (!Vom Kupfer zum Zink) (!Von der Salzbrücke zum Zink) (!Von der Lösung zum Voltmeter)

Welche Hauptaufgabe hat die Salzbrücke? (Sie ermöglicht den Ladungsausgleich) (!Sie erzeugt die Kupferionen) (!Sie misst die Spannung) (!Sie erwärmt die Lösungen)

Was geschieht bei der Oxidation des Zinks? (Zink gibt Elektronen ab) (!Zink nimmt Elektronen auf) (!Kupfer gibt Elektronen ab) (!Sulfationen werden zu Kupfer)

Was geschieht an der Kupferelektrode? (Kupferionen nehmen Elektronen auf) (!Zinkionen werden zu Sulfationen) (!Kupferatome werden zu Elektronen) (!Die Salzbrücke wird oxidiert)

Wie groß ist die Standardspannung der Daniell-Zelle ungefähr? (Etwa ein Komma eins Volt) (!Etwa zehn Volt) (!Etwa ein Zehntel Volt) (!Etwa zweihundertdreißig Volt)

Welche Massenänderung ist bei längerer Entladung zu erwarten? (Zink nimmt ab und Kupfer nimmt zu) (!Zink und Kupfer nehmen beide ab) (!Zink nimmt zu und Kupfer nimmt ab) (!Beide Elektroden bleiben immer gleich)

Welche Energieumwandlung findet in der Daniell-Zelle statt? (Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt) (!Elektrische Energie wird nur in Licht umgewandelt) (!Wärmeenergie wird in Kernenergie umgewandelt) (!Bewegungsenergie wird in Lageenergie umgewandelt)

Memory

Anode	Oxidationsort
Kathode	Reduktionsort
Zinkelektrode	negativer Pol
Kupferelektrode	positiver Pol
Salzbrücke	Ladungsausgleich
Elektronenweg	Zink nach Kupfer
Standardspannung	ungefähr ein Komma eins Volt

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Daniell-Zelle
Oxidation	Zink gibt Elektronen ab
Reduktion	Kupferionen nehmen Elektronen auf
Elektronenleiter	Metalldraht
Ionenleiter	Salzbrücke
Gesamtreaktion	Chemische Energie wird elektrisch nutzbar

Kreuzworträtsel

Anode	Wie heißt die Elektrode, an der Zink Elektronen abgibt?
Kathode	Wie heißt die Elektrode, an der Kupferionen Elektronen aufnehmen?
Oxidation	Wie heißt eine Reaktion mit Elektronenabgabe?
Reduktion	Wie heißt eine Reaktion mit Elektronenaufnahme?
Salzbrücke	Welches Bauteil ermöglicht den inneren Ladungsausgleich?
Elektrolyt	Wie heißt eine ionenleitende Lösung?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Die Daniell-Zelle besteht aus einer Zink-Halbzelle und einer . An der Zinkelektrode findet die statt. Dabei entstehen aus Zinkatomen gelöste . Die frei werdenden Elektronen fließen durch den äußeren Leiter zum . An der Kupferelektrode werden Kupferionen durch Elektronenaufnahme . Die ermöglicht den Ladungsausgleich zwischen den Lösungen. Unter Standardbedingungen beträgt die Zellspannung ungefähr . Die Zelle wandelt chemische Energie in um.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Beschriftete Skizze: Zeichne die Daniell-Zelle und beschrifte Zinkelektrode, Kupferelektrode, Elektrolyte, Salzbrücke, Kabel, Anode und Kathode.
2. Elektronenweg: Formuliere in drei Sätzen, wo Elektronen entstehen, welchen Weg sie nehmen und wo sie verbraucht werden.
3. Beobachtung und Deutung: Erstelle vier Karten mit je einer Beobachtung auf der Vorderseite und der passenden Teilchendeutung auf der Rückseite.
4. Begriffsnetz: Verbinde die Begriffe Oxidation, Reduktion, Anode, Kathode, Elektron und Ion zu einem übersichtlichen Begriffsnetz.

Standard

1. Erklärvideo: Produziere ein höchstens zweiminütiges Lernvideo, das den Aufbau und die Funktion der Daniell-Zelle erklärt.
2. Salzbrückenmodell: Entwickle ein Rollenmodell, in dem Lernende Elektronen, Kationen und Anionen darstellen und ihre Bewegungsrichtungen zeigen.
3. Versuchsplanung: Plane unter Beachtung der Sicherheitsregeln eine Spannungsmessung an einer Daniell-Zelle und formuliere eine begründete Erwartung.
4. Messreihe: Untersuche unter Anleitung, wie sich eine veränderte Konzentration einer Halbzelle auf die gemessene Spannung auswirkt.

Schwer

1. Nernst-Gleichung: Recherchiere die Nernst-Gleichung und erkläre qualitativ, warum die Konzentrationen der Ionen die Zellspannung beeinflussen.
2. Batterievergleich: Vergleiche die Daniell-Zelle mit einer modernen Batterie hinsichtlich Elektroden, Elektrolyt, Spannung, Wiederaufladbarkeit und Anwendung.
3. Fehleranalyse: Entwickle fünf mögliche Ursachen dafür, dass eine aufgebaute Daniell-Zelle kaum Spannung liefert, und schlage jeweils eine Prüfung vor.
4. Wissenschaftsgeschichte: Gestalte einen Podcast über John Frederic Daniell, die Entwicklung seiner Zelle und ihre Bedeutung für die Telegrafie.

Lernkontrolle

1. Unterbrochener Ionenweg: Erkläre auf Teilchenebene, warum die Spannung nach dem Entfernen der Salzbrücke rasch zusammenbricht.
2. Vertauschte Messleitungen: Leite her, welches Vorzeichen ein Voltmeter anzeigt, wenn seine Anschlüsse an Zink und Kupfer vertauscht werden.
3. Konzentrationsänderung: Sage begründet voraus, wie sich eine starke Verringerung der Kupferionenkonzentration auf die Zellspannung auswirken kann.
4. Massenbilanz: Erkläre den Zusammenhang zwischen Elektronenübertragung und den entgegengesetzten Massenänderungen der Elektroden.
5. Reihenschaltung: Entwickle eine Schaltung aus drei Daniell-Zellen und bestimme die ideale Gesamtspannung.
6. Transfer zur Batterie: Erkläre, welche Grundprinzipien der Daniell-Zelle auch in einer Alltagsbatterie wiederzufinden sind und welche Bauteile anders ausgeführt sein können.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis sind besonders wichtig:

1. Fachbegriffe: Anode, Kathode, Oxidation, Reduktion, Halbzelle, Elektrolyt und Salzbrücke korrekt verwenden.
2. Aufbau: Eine Daniell-Zelle vollständig zeichnen und beschriften.
3. Reaktionsgleichungen: Oxidation, Reduktion und Gesamtreaktion richtig formulieren.
4. Ladungstransport: Elektronenfluss und Ionenwanderung voneinander unterscheiden.
5. Zellspannung: Die Standardspannung aus zwei Standardelektrodenpotentialen berechnen.
6. Beobachtungen: Massenänderungen, Farbänderungen und Spannungsmessung auf Teilchenebene deuten.
7. Sicherheit: Zentrale Regeln für den Umgang mit Metallsalzlösungen nennen.

Verknüpfte Lernbereiche

Die Daniell-Zelle verbindet chemische Reaktionen mit elektrischem Strom. Wesentlich sind die räumliche Trennung zweier Halbreaktionen, der Elektronenfluss durch den äußeren Leiter, die Ionenwanderung im Inneren und die Berechnung der Zellspannung.

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