Techniklexikon

Galvanisches Element

Korrosion, Batterie, Ackumulator, Elektrolyse Im Modellbau: elektrochemisches Element: Anordnung von 2 Elektroden in einem Elektrolyten. Auf Grund der Stellung der Elektroden in der elektrochemischen Spannungsreihe entsteht zwischen den Elektroden eine elektrische Spannung. Die technische Ausführung des g. E. bezeichnet man als Zelle. Man unterscheidet: a) Primärelemente mit nichtumkehrbarer elektrochemischer Reaktion, d. h. sie sind nach dem Entladen unbrauchbar; b) Sekundärelemente mit umkehrbarer elektrochemischer Reaktion, d. h. nach dem Entladen können sie durch Zuführung elektrischer Energie wieder geladen werden. Die technische Ausführung des Sekundärelements ist der Akkumulator. Chemie, Physikalische Chemie, galvanische Zelle, elektrolytische Zelle, die in der Lage ist, elektrische Energie durch einen elektrochemischen Vorgang zu erzeugen (Elektrolyse). Es handelt sich um eine Anordnung, in der Redox-Reaktionen stattfinden. Das übersichtlichste und zugleich eines der ältesten galvanischen Elemente ist das 1835 von J.F. Daniell erfundene Daniell-Element (Kupfer-Zink-Element).

Die stromlos (kompensiert) gemessene Spannung zwischen den Elektroden, die Leerlaufspannung (früher: elektromotorische Kraft) U₀, hängt von der freien Enthalpie DG der betreffenden Reaktion gemäss U₀ = DG / (nF) ab (F: Faraday-Konstante, n: Anzahl der je Formelumsatz ausgetauschten Elektronen). U₀ hängt daher wie DG von den Konzentrationen und (bei Gasen!) vom Druck der Reaktionsteilnehmer sowie von der Temperatur ab. Da U₀ der maximalen Nutzarbeit der betreffenden chemischen Reaktion entspricht, kann diese in einem galvanischen Element zu einem viel höheren Anteil in praktisch nutzbare Energie umgesetzt werden als in thermischen Reaktionen. Voraussetzung dabei ist, dass die im belasteten Zustand zwischen den Elektroden messbare Spannung, die Klemmenspannung U, möglichst wenig von U₀ abweicht.

Die Anzahl der in galvanischen Elementen möglichen Reaktionen ist gross, doch scheitert in den meisten Fällen der praktische Einsatz daran, dass es nicht gelingt, Elektroden herzustellen, an denen der Elektronenaustausch genügend schnell, d.h. mit ausreichend geringer Aktivierungsenergie, stattfindet. Das führt zu irreversiblen Polarisationserscheinungen bzw. zu Überspannungen, die das galvanische Element praktisch unbrauchbar machen (Elektrodenvorgänge). Als Elektronenlieferanten werden vorzugsweise unedle Metalle (vor allem Zink, ferner Blei, Alkalimetalle u. a.), als Elektronenakzeptoren vorwiegend Oxide oder Luftsauerstoff verwendet; als Elektrolyte dienen überwiegend wässrige Salzlösungen. Bei Verwendung stark elektropositiver Metalle (z.B. Lithium) erscheinen Elektrolyte auf organischer Basis (ohne Wasser) recht aussichtsreich.

In der Praxis unterscheidet man die nicht wieder aufladbaren Primärelemente (z.B. die Braunsteinzelle) und die wiederaufladbaren Sekundärelemente (Akkumulatoren oder Sammler, z.B. Bleiakkumulator). Bei Brennstoffzellen werden die Reaktanden kontinuierlich zu- bzw. abgeführt. Biochemische Zellen beruhen auf der Ausnutzung biogener Gase wie Ammoniak, Wasserstoff oder Methan unter Verwendung von Brennstoffzellen oder auf enzymatischen Prozessen, sie befinden sich im Anfangsstadium der Entwicklung. Normalelemente dienen zur genauen Messung unbekannter Spannungen und als Spannungsnormal.