Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 5-6, G-Niveau

Galvanische Zellen - Chemie

Einleitung

Eine galvanische Zelle wandelt die Energie einer freiwillig ablaufenden Redoxreaktion in elektrische Energie um. Die Elektronen werden dabei nicht direkt zwischen den Reaktionspartnern übertragen, sondern über einen äußeren Leiter geführt. So entsteht nutzbarer elektrischer Strom.

Galvanische Zellen bilden die Grundlage vieler Batterien, Akkumulatoren, Brennstoffzellen und elektrochemischer Sensoren. Das klassische Schulbeispiel ist das Daniell-Element aus Zink und Kupfer.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du den Aufbau einer galvanischen Zelle beschreiben, Oxidation und Reduktion den Elektroden zuordnen, den Elektronen- und Ionenfluss erklären und die Zellspannung eines Daniell-Elements berechnen. Außerdem kannst Du galvanische Zellen mit Elektrolysezellen vergleichen und ihre Bedeutung für Alltag und Umwelt beurteilen.

Grundidee der galvanischen Zelle

Eine galvanische Zelle besteht aus zwei gekoppelten Halbzellen. Jede Halbzelle enthält eine Elektrode und einen Elektrolyten. Zwischen Elektrode und Elektrolyt stellt sich ein Elektrodenpotenzial ein.

Die beiden Halbzellen sind auf zwei Wegen verbunden:

Elektronenleiter: Ein Draht oder ein Messgerät verbindet die Elektroden. Hier fließen Elektronen.
Ionenleiter: Eine Salzbrücke, ein Diaphragma oder eine Membran verbindet die Elektrolyte. Hier wandern Ionen.

Erst wenn beide Verbindungen vorhanden sind, kann der Stromkreis dauerhaft geschlossen bleiben.

Merksatz: Außen fließen Elektronen, innen sorgen Ionen für den Ladungsausgleich.

Anode und Kathode

An der Anode findet die Oxidation statt. Teilchen geben Elektronen ab. In einer galvanischen Zelle ist die Anode der Minuspol.

An der Kathode findet die Reduktion statt. Teilchen nehmen Elektronen auf. In einer galvanischen Zelle ist die Kathode der Pluspol.

Eine hilfreiche Eselsbrücke lautet: AnOx – RedKat. Anode bedeutet Oxidation, Kathode bedeutet Reduktion.

Die Bezeichnungen Anode und Kathode richten sich immer nach der Reaktion. Die Vorzeichen der Pole hängen dagegen davon ab, ob eine galvanische Zelle oder eine Elektrolysezelle betrachtet wird.

Das Daniell-Element

Das Daniell-Element verbindet eine Zinkhalbzelle mit einer Kupferhalbzelle. In der Zinkhalbzelle taucht eine Zinkelektrode in eine Lösung mit Zink-Ionen. In der Kupferhalbzelle taucht eine Kupferelektrode in eine Lösung mit Kupfer-Ionen.

Reaktionen an den Elektroden

Zink ist unedler als Kupfer und gibt leichter Elektronen ab. Deshalb wird Zink oxidiert:

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

Die Zinkelektrode ist die Anode und der Minuspol. Ihre Masse nimmt während des Betriebs ab.

Kupfer-Ionen nehmen an der Kupferelektrode Elektronen auf:

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

Die Kupferelektrode ist die Kathode und der Pluspol. Auf ihr wird Kupfer abgeschieden, sodass ihre Masse zunimmt.

Die Gesamtreaktion lautet:

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

Elektronen- und Ionenfluss

Die Elektronen fließen im äußeren Stromkreis von der Zinkelektrode zur Kupferelektrode. Die technische Stromrichtung verläuft entgegengesetzt.

In der Zinkhalbzelle entstehen immer mehr positiv geladene Zink-Ionen. In der Kupferhalbzelle werden positiv geladene Kupfer-Ionen verbraucht. Ohne Ladungsausgleich würde der Elektronenfluss schnell enden.

Eine Salzbrücke mit einem weitgehend reaktionsträgen Salz gleicht die Ladungen aus. Anionen wandern überwiegend zur Anodenseite, Kationen überwiegend zur Kathodenseite. Die Salzbrücke transportiert also Ionen, aber keine Elektronen.

Zellschreibweise

Das Daniell-Element kann kurz geschrieben werden:

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

Ein einfacher Strich kennzeichnet eine Phasengrenze. Der Doppelstrich steht für die Verbindung zwischen den Halbzellen. Üblicherweise wird die Anode links und die Kathode rechts notiert.

Zellspannung und Spannungsreihe

Die Zellspannung entsteht aus der Differenz der Elektrodenpotenziale. Unter Standardbedingungen werden die Standardelektrodenpotenziale verwendet.

Für das Daniell-Element gelten näherungsweise:

Kupfer: $E^{\circ} (C u^{2 +} / C u) = + 0,34 V$
Zink: $E^{\circ} (Z n^{2 +} / Z n) = - 0,76 V$

Die Standard-Zellspannung berechnet sich mit:

$U_{Z e l l e}^{\circ} = E_{K a t h o d e}^{\circ} - E_{A n o d e}^{\circ}$

Für das Daniell-Element ergibt sich:

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

Eine positive Zellspannung zeigt, dass die betrachtete Gesamtreaktion unter Standardbedingungen freiwillig in der angegebenen Richtung ablaufen kann.

Bezugselektrode

Ein einzelnes Elektrodenpotenzial kann nicht direkt allein gemessen werden. Es wird immer mit einer Bezugselektrode verglichen. Als Bezug dient die Standard-Wasserstoffelektrode, deren Standardpotenzial definitionsgemäß $0 V$ beträgt.

Einfluss der Konzentration

Die tatsächliche Zellspannung hängt unter anderem von den Konzentrationen beziehungsweise Aktivitäten der beteiligten Teilchen und von der Temperatur ab. Dies beschreibt die Nernst-Gleichung:

$E = E^{\circ} - \frac{R T}{z F} \ln Q$

Dabei ist $E$ das Elektrodenpotenzial, $E^{\circ}$ das Standardpotenzial, $R$ die Gaskonstante, $T$ die absolute Temperatur, $z$ die Zahl der übertragenen Elektronen, $F$ die Faraday-Konstante und $Q$ der Reaktionsquotient.

Für den Einstieg genügt: Ändern sich die Ionenkonzentrationen, kann sich auch die messbare Spannung ändern.

Galvanische Zelle und Elektrolysezelle

Bei einer galvanischen Zelle läuft eine freiwillige Redoxreaktion ab und liefert elektrische Energie. Bei einer Elektrolysezelle erzwingt eine äußere Spannungsquelle eine nicht freiwillig ablaufende Reaktion.

Die Reaktionsorte bleiben eindeutig: Oxidation findet immer an der Anode statt, Reduktion immer an der Kathode. Die Polung unterscheidet sich jedoch.

Geschichte und Anwendungen

Der Name erinnert an Luigi Galvani. Alessandro Volta entwickelte mit der Voltaschen Säule eine frühe kontinuierliche Spannungsquelle. Das Daniell-Element wurde im 19. Jahrhundert von John Frederic Daniell entwickelt und lieferte eine vergleichsweise gleichmäßige Spannung.

Heute begegnet Dir das Prinzip galvanischer Zellen in Primärbatterien, Akkumulatoren, Brennstoffzellen, Messsonden und bei der Betrachtung von Korrosion. Verschiedene Zelltypen nutzen unterschiedliche Redoxpaare, Elektrolyte und Bauformen.

Umwelt und Sicherheit

Batterien enthalten wertvolle Rohstoffe und können Stoffe enthalten, die nicht in die Umwelt gelangen dürfen. Sie gehören deshalb in vorgesehene Sammelsysteme und nicht in den Hausmüll.

Versuche mit Metallsalzlösungen werden nur nach schulischer Gefährdungsbeurteilung durchgeführt. Trage eine Schutzbrille, vermeide Hautkontakt und entsorge kupfer- oder zinkhaltige Lösungen nach den Vorgaben der Schule. Chemikalienreste gehören nicht in den Ausguss.

Beobachtungen im Schulversuch

Bei einem Daniell-Element kannst Du typischerweise eine Spannung messen. Unter geeigneten Bedingungen nimmt die Zinkelektrode an Masse ab, während sich Kupfer an der Kupferelektrode abscheidet. Abweichungen vom theoretischen Wert können durch Konzentrationen, Temperatur, Innenwiderstand, verschmutzte Elektroden oder Messbedingungen entstehen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Energieumwandlung findet in einer galvanischen Zelle statt? (Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt) (!Elektrische Energie wird nur in Wärme umgewandelt) (!Lichtenergie wird in Kernenergie umgewandelt) (!Mechanische Energie wird in chemische Energie umgewandelt)

An welcher Elektrode findet die Oxidation statt? (An der Anode) (!An der Kathode) (!An der Salzbrücke) (!Am Voltmeter)

Welche Elektrode ist im Daniell-Element der Minuspol? (Die Zinkelektrode) (!Die Kupferelektrode) (!Die Salzbrücke) (!Die Bezugselektrode)

In welche Richtung fließen die Elektronen im äußeren Stromkreis des Daniell-Elements? (Von Zink zu Kupfer) (!Von Kupfer zu Zink) (!Von der Salzbrücke zum Zink) (!Vom Elektrolyten zum Voltmeter)

Welche Teilchen werden an der Kupferelektrode reduziert? (Kupfer-Ionen) (!Zinkatome) (!Sulfat-Ionen) (!Elektronen)

Welche Aufgabe hat die Salzbrücke? (Sie ermöglicht den ionischen Ladungsausgleich) (!Sie erzeugt die Elektronen) (!Sie misst die Spannung) (!Sie verhindert jede Ionenbewegung)

Wie verändert sich die Masse der Zinkelektrode beim Betrieb des Daniell-Elements? (Sie nimmt ab) (!Sie nimmt immer zu) (!Sie bleibt grundsätzlich unverändert) (!Sie verdoppelt sich sofort)

Wie groß ist die Standard-Zellspannung des Daniell-Elements näherungsweise? (1,10 Volt) (!0 Volt) (!0,34 Volt) (!2,76 Volt)

Welche Aussage zur Kathode einer galvanischen Zelle ist richtig? (Dort findet die Reduktion statt) (!Dort findet die Oxidation statt) (!Sie ist immer der Minuspol) (!Dort fließen keine Elektronen an)

Was beschreibt die Nernst-Gleichung? (Die Abhängigkeit eines Elektrodenpotenzials von Bedingungen wie Konzentration und Temperatur) (!Nur die Masse einer Elektrode) (!Nur die Farbe eines Elektrolyten) (!Die Geschwindigkeit des technischen Stroms)

Memory

Anode	Ort der Oxidation
Kathode	Ort der Reduktion
Salzbrücke	Ionischer Ladungsausgleich
Zinkelektrode	Elektronenquelle im Daniell-Element
Kupferelektrode	Ort der Kupferabscheidung
Elektronenleiter	Äußerer Stromkreis
Elektrolyt	Ionenleitende Lösung
Zellspannung	Potentialdifferenz der Elektroden

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Oxidation	Anode
Reduktion	Kathode
Elektronenfluss	Zink zu Kupfer
Anionenwanderung	Richtung Zinkhalbzelle
Kationenwanderung	Richtung Kupferhalbzelle

Kreuzworträtsel

Anode	An welcher Elektrode findet die Oxidation statt?
Kathode	An welcher Elektrode findet die Reduktion statt?
Elektrolyt	Wie heißt eine ionenleitende Flüssigkeit?
Salzbrücke	Welches Bauteil ermöglicht den Ladungsausgleich zwischen Halbzellen?
Daniell	Welcher Nachname bezeichnet die bekannte Zink-Kupfer-Zelle?
Spannung	Welche elektrische Größe wird zwischen den Elektroden gemessen?

LearningApps

Lückentext

Eine galvanische Zelle wandelt chemische Energie in

Energie um. Die Teilreaktion der Elektronenabgabe heißt

. Sie findet an der

statt. Die Aufnahme von Elektronen wird als

bezeichnet. Im Daniell-Element liefert die

die Elektronen. Die Elektronen fließen außen zur

. Der innere Ladungsausgleich erfolgt über die

. Dabei wandern Anionen überwiegend zur

. Die Standard-Zellspannung des Daniell-Elements beträgt ungefähr

. Veränderte Ionenkonzentrationen können die messbare

beeinflussen.

Offene Aufgaben

Leicht

Begriffskarte: Gestalte eine Karte mit den Begriffen Anode, Kathode, Oxidation und Reduktion und ergänze zu jedem Begriff eine kurze Erklärung.
Stromweg: Zeichne ein Daniell-Element und markiere den Elektronenfluss sowie die Wanderung von Kationen und Anionen mit unterschiedlichen Pfeilarten.
Alltagsbatterien: Fotografiere oder skizziere drei Batterietypen aus Deinem Alltag und notiere, wo sie eingesetzt werden.
Erklärbild: Erstelle ein Bild, das den Merksatz AnOx – RedKat verständlich darstellt.

Standard

Versuchsprotokoll: Werte ein schulisches Experiment zum Daniell-Element mit Fragestellung, Beobachtung, Deutung und Reaktionsgleichungen aus.
Fehleranalyse: Entwickle vier mögliche Erklärungen dafür, dass eine gemessene Zellspannung kleiner als der theoretische Wert ist.
Lernvideo: Produziere ein höchstens dreiminütiges Erklärvideo zum Elektronen- und Ionenfluss in einer galvanischen Zelle.
Batterierecycling: Recherchiere den Weg gebrauchter Batterien vom Sammelbehälter bis zur Rückgewinnung von Rohstoffen und stelle ihn als Flussdiagramm dar.

Schwer

Zellvergleich: Vergleiche zwei verschiedene galvanische Zellen hinsichtlich Redoxpaaren, Spannung, Einsatzgebiet und Umweltaspekten.
Experimentplanung: Plane eine Untersuchung zum Einfluss der Ionenkonzentration auf die Zellspannung und formuliere kontrollierbare Variablen.
Elektrochemische Spannungsreihe: Wähle zwei Redoxpaare aus einer Tabelle aus, prognostiziere die freiwillige Reaktionsrichtung und berechne die Standard-Zellspannung.
Wissenschaftskommunikation: Entwickle eine Ausstellungstafel, die von der Voltaschen Säule über das Daniell-Element zu modernen Batterien führt und Chancen sowie Grenzen erklärt.

Lernkontrolle

Modellkritik: Erkläre, welche Vorgänge ein einfaches Schaltbild der galvanischen Zelle zeigt und welche Teilchenvorgänge darin oft nicht sichtbar werden.
Transfer auf unbekannte Zellen: Du erhältst zwei unbekannte Halbzellen mit ihren Standardpotenzialen. Bestimme Anode, Kathode, Elektronenfluss und erwartete Standard-Zellspannung und begründe jeden Schritt.
Störung der Salzbrücke: Beschreibe und begründe, was mit Stromfluss und Ladungsverteilung geschieht, wenn die Salzbrücke entfernt wird.
Messwertbeurteilung: Ein Daniell-Element liefert nur 0,82 Volt. Entwickle eine begründete Prüfstrategie, mit der Du mögliche Ursachen systematisch untersuchst.
Galvanische Zelle und Elektrolyse: Vergleiche beide Zelltypen anhand von Energieumwandlung, Freiwilligkeit der Reaktion, Polung und Elektrodenreaktionen.
Nachhaltigkeitsurteil: Beurteile, welche Informationen nötig sind, um die Umweltwirkung zweier Batterietypen fair miteinander zu vergleichen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu galvanischen Zellen sind folgende Kompetenzen wichtig:

Du beschriftest den Aufbau einer galvanischen Zelle fachsprachlich korrekt.
Du ordnest Oxidation und Reduktion den Elektroden zu.
Du formulierst passende Teilgleichungen und eine Gesamtgleichung.
Du erklärst Elektronenfluss, Ionenwanderung und die Funktion der Salzbrücke.
Du berechnest aus Standardpotenzialen eine Zellspannung.
Du deutest Messwerte und begründest mögliche Abweichungen.
Du vergleichst galvanische Zellen mit Elektrolysezellen.
Du beurteilst Anwendungen und Umweltaspekte mit nachvollziehbaren Kriterien.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Die galvanische Zelle verbindet Stoffumwandlungen mit Elektrizitätslehre, Energiebetrachtungen und technischen Anwendungen.

Galvanische Zellen - Chemie

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.