Galvanotechnik – Galvanisieren - HTL Wien 10

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Seite <strong>10</strong> Halbzelle <strong>–</strong> Metallsalzlösung aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie Die Halbzelle (Halbelement) ist Bestandteil des galvanischen Elements. Sie setzt sich zusammen aus einer Metallelektrode (Metallstab, Metallblech o. ä.), das in seine entsprechende Metallsalzlösung (Elektrolyt) taucht. Eine Zinkhalbzelle erhält man, indem man eine Zinkelektrode in eine Zinksalzlösung (zum Beispiel Zinksulfat-Lösung) taucht. Die Halbzellen eines galvanischen Elements werden unterschieden nach dem jeweiligen Metall (vgl. Zinkhalbzelle, Kupferhalbzelle, etc.) sowie ihrer Funktion, die sie bei der Zellreaktion einnehmen (Donatorhalbzelle, Akzeptorhalbzelle). Inhaltsverzeichnis • 1 Von der Halbzelle zum galvanischen Element • 2 Chemische Vorgänge in Halbzellen • 3 Bildung einer elektrischen Spannung zwischen zwei Halbzellen • 4 Einflussfaktoren auf die Spannungsgröße zwischen zwei Halbzellen • 5 Stromfluss zwischen zwei Halbzellen und Zellreaktion • 6 Halbzellenprozesse während der Zellreaktion und Reaktionsende Von der Halbzelle zum galvanischen Element Aus zwei Halbzellen lässt sich in einer entsprechenden Versuchsanordnung ein galvanisches Element aufbauen, indem man die beiden Halbzellen leitend miteinander verbindet. Die Verbindung zwischen den beiden Halbzellen besteht aus einem Elektronenleiter (beispielsweise einem Metalldraht), der die beiden Metallelektroden elektrisch leitend verbindet, und einem Ionenleiter (beispielsweise einer Elektrolytbrücke), der den Stromkreis durch die ionenleitende Verbindung zwischen den Metallsalzlösungen schließt. Das Daniell-Element als Beispiel eines galvanischen Elementes setzt sich aus einer Zinkhalbzelle und einer Kupferhalbzelle zusammen. Chemische Vorgänge in Halbzellen Sofort nach dem Eintauchen der Metallelektroden in die entsprechende Metallsalzlösung spielen sich an der Metalloberfläche bestimmte Vorgänge ab, die ein negatives Aufladen der Metallelektroden zur Folge haben. Die Ursache für die einsetzenden Prozesse ist das Bestreben eines jeden Metalls, in wässriger Lösung zu oxidieren. Infolge dieses als Lösungstension bezeichneten Verhaltens eines jeden Metalls lösen sich Metallatome aus dem Metallgitter der Elektrode und gehen als Metallionen in Lösung. Die bei dieser Oxidation der Metallatome freigesetzten Elektronen bleiben im Metall an dessen Oberfläche gebunden. Auf diese Weise lädt sich die Metalloberfläche negativ auf. Da die gebildeten Metallionen stets positiv geladen sind, werden sie infolge dieser negativen Aufladung an die Metalloberfläche gebunden. Dadurch entsteht innerhalb der Phasengrenzfläche zwischen Metalloberfläche und Metallsalzlösung eine sogenannte elektrische Doppelschicht. In ihr gleichen sich negative (Elektronen) und positive Ladungen (Metallionen) aus, da die Zahl z der pro Metallion gebildeten Elektronen der Ladungszahl der entsprechenden Metallionen entspricht. Somit werden zum Beispiel in
einer Kupferhalbzelle pro gebildetem zweifach positiven Kupferion auch zwei Elektronen frei, so dass sich negative und positive Ladungen stets ausgleichen. Innerhalb der elektrischen Doppelschicht stellt sich nach kurzer Zeit in jeder Halbzelle ein dynamisches Gleichgewicht zwischen den entsprechenden Redoxpaaren Metallatome/Metallionen ein. So stellt sich in der Zinkhalbzelle des Daniell-Elements nach kurzer Zeit an der Metalloberfläche das Gleichgewicht ein. In der Kupferhalbzelle des Daniell-Elements spielt sich ein analoger Vorgang ab. Auch hier oxidieren infolge der Lösungstension des Kupfers Kupferatome zu Kupferionen, so dass sich nach kurzer Zeit an der Metalloberfläche das Gleichgewicht einstellt. Auf diese Weise laden sich die Metallelektroden in den beiden Halbzellen negativ auf. Bildung einer elektrischen Spannung zwischen zwei Halbzellen Das Entscheidende bezüglich der negativen Aufladung aber ist, dass die oben genannten Gleichgewichte im Gleichgewichtszustand eine unterschiedliche Gleichgewichtslage besitzen. Diese Gleichgewichtslage hängt von der Größe der Lösungstension des entsprechenden Metalls ab, die je nach Metall ganz unterschiedlich groß ist. Dies wiederum hängt mit der Stellung der Metalle in der Redoxreihe der Metalle zusammen. Der Grund dafür ist, dass die Lösungstension eines Metalls dem Bestreben der Metallatome, als Reduktionsmittel zu wirken, entspricht. Denn die Lösungstension entspricht der Oxidation der Metallatome, d. h. der Elektronenabgabe, die somit frei werden und andere Teilchen reduzieren (siehe Reduktion) können. Dieses Reduktionsvermögen von Metallen ist in der Redoxreihe der Metalle dokumentiert. Das Metall Zink zum Beispiel ist unbeständiger und daher unedler. Es hat eine größere Tendenz, in Redoxreaktionen als Reduktionsmittel zu wirken (d. h. selbst zu oxidieren). Seine Lösungstension in wässriger Lösung ist daher größer als die edlerer Metalle wie Zinn, Kupfer oder Silber. Daher liegt das Gleichgewicht in der Zinkhalbzelle weiter rechts als das Gleichgewicht in der Kupferhalbzelle des Daniell-Elements: Betrachtet man die Gleichgewichte genauer, so erkennt man, dass sich entsprechend der Gleichgewichtslage auch unterschiedliche Mengen an Elektronen (Elektronenvorräte, Elektronendrücke) in den Metallelektroden bilden. Die beiden Halbzellen unterschieden sich somit nun als Orte eines höheren und eines niedrigeren Elektronendrucks. Da das entsprechende oben genannte Gleichgewicht an der Zinkelektrode infolge der höheren Lösungstension des Zinks weiter rechts liegt, lädt sich die Zinkelektrode stärker negativ Seite 11
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