Kupfer-Zink Zelle

Kupfer Zink Zelle:

Das Kupfer-Zink-Element

Der übliche Aufbau:
U-Rohr mit Trennwand,
Kupferelektrode, Zinkelektrode,
Kupfersulfatlösung, c(CuSO₄) = 1 mol/l
Zinksulfatlösung c(ZnSO₄) = 1 mol/l

Bei dieser Anordnung kann eine Spannung von mehr als 1Volt gemessen werden. Da dieser Versuch in fast jedem Schulbuch ausführlich erläutert ist, kann ich mir hier lange Ausführungen sparen. Kommen wir gleich zu der Frage, wieso die gemessene Spannung höher ist als bei dem Versuch mit den beiden Elektroden in reinem Wasser; dort hatten wir deutlich weniger als 1 V Spannung gemessen.

Was geschieht in der Zink-Halbzelle, also dem Schenkel des U-Rohrs mit der Zinkelektrode und der Zinksulfatlösung?

Die Zinkelektrode löst sich - wie bereits mehrmals gesagt - auf; es entstehen Zinkionen, die die Zn2+-Konzentration in der 1 molaren Zinksulfatlösung erhöhen, und in der Elektrode verbleiben (zunächst) Elektronen, zwei Stück pro Zinkion.

Allerdings fließen diese Elektronen zu einem Teil in die Kupferhalbzelle (siehe weiter unten), mit der Folge, dass es in der Zinkhalbzelle zu einer ständigen Bildung neuer Zinkionen kommt; die Zinklösung wird hier immer mehr mit Zinkionen angereichert.

In der Kupferhalbzelle fließen die Elekronen der Zinkelektrode in die Kupferelektrode (Ziel ist es ja, einen Elektronenausgleich zu erreichen). In der umgebenden Lösung befinden sich aber schon recht viele Kupferionen, die sehr begierig sind, je zwei Elektronen aufzunehmen (schließlich ist Kupfer ein Edelmetall). Die Kupferionen setzen sich also an die Kupferelektrode, nehmen dort je zwei Elektronen auf und werden dadurch zu Kupferatomen:

Cu²⁺ + 2 e^- ==> Cu

Rein theoretisch müsste die Kupferelektrode mit der Zeit immer dicker werden, während sich die Zinkelektrode auflöst. Irgendwann enthält die Kupfersulfatlösung jedoch keine Kupferionen mehr, und dann stoppt der Prozess.

Was geschieht nun mit den beiden Lösungen der Halbzellen?

In der Zinkhalbzelle steigt die Konzentration der Zinkionen. Da die Trennwand für Ionen durchlässig ist, werden also schon recht schnell die ersten Zinkionen in die Kupfersulfatlösung der Kupferhalbzelle diffundieren.

In der Kupferhalbzelle befindet sich am Anfang eine reine Kupfersulfatlösung. Die Kupferionen setzen sich aber an die Kupferelektrode, so dass hier die Konzentration der Kupferionen immer geringer wird. Die Konzentration der Sulfationen dagegen ändert sich nicht. Es entsteht mit der Zeit also ein Überschuss an Sulfationen, so dass es zu einer Diffusion von Sulfationen in die Zinkhalbzelle kommt, wo ja ein Überschuss an Zinkionen und sozusagen ein "Unterschuss" von Sulfationen herrscht.

Das Daniell-Element ist ein galvanisches Element, das aus einer Kupfer- und einer Zinkhalbzelle besteht. In der Kupferhalbzelle befinden sich eine Kupferelektrode und einmolare Kupfersulfatlösung und in der Zinkhalbzelle eine Zinkelektrode und einmolare Zinksulfatlösung.

Beim Betrieb des Elements laufen folgende Reaktionen ab:

Oxidation: Zn à Zn²⁺ + 2 e^-
Reduktion: Cu²⁺ + 2 e^- à Cu
Redoxreaktion: Zn + Cu²⁺ à Zn²⁺ + Cu

Die Zinkelektrode löst sich also mit der Zeit auf, wobei die Kupferelektrode schwerer wird.

Trockenelement (auch Trockenbatterie), technische Bezeichnung für die Taschenbatterie, die man typischerweise in elektronischen Kleingeräten (z. B. Taschenlampe, Kofferradios, Taschenrechner und Armbanduhren) als Stromquelle (siehe Elektrizität) verwendet. Trockenelemente sind im Prinzip galvanische Elemente (siehe elektrische Zelle), die sich allgemein in Einwegzellen und in wieder aufladbare Zellen untergliedern lassen.

Bei den Einwegzellen handelt es sich um so genannte Primärzellen. Diese Trockenelemente arbeiten nach dem Prinzip eines Leclanché-Elements, benannt nach seinem Erfinder, dem französischen Chemiker Georges Leclanché (1860). Der Pluspol – bei der Batterie die Kathode – besteht aus einem Graphit- oder Kohlestab mit Braunstein (Mangandioxid; siehe Mangan), als Minuspol – bei der Batterie die Anode – dient die äußere Batterieumhüllung: Zinkblech. Der Kohlestab taucht in eine pastöse Mischung aus Ammoniumchlorid (Salmiaklösung; siehe Ammoniak) und Zinkchlorid, die praktisch den Elektrolyten (siehe Elektrochemie; siehe elektrolytische Dissoziation) darstellt. Diese Mischung enthält meist noch andere zusätzliche Stoffe (z. B. Stärke- oder Weizenmehl).

Beim Betrieb dieser Batterie bilden sich an der Anode in einer elektrochemischen Reaktion aus dem Zink Zinkionen und Elektronen:

Zn ? Zn2+ + 2e-

An der Kathode laufen im Prinzip zwei Prozesse ab: 1.) bilden sich aus dem Ammonium Protonen:

NH4+ ? NH3 + H+

und 2.) reagieren der Braunstein, die Protonen und Elektronen zu Dimangantrioxid und Wasser:

2MnO2 + 2H+ + 2e- ? Mn2O3 + H2O

Die Gesamtreaktion (Kathode + Anode) liefert eine Zellspannung von etwa 1,5 Volt.

Andere Formen von Primärzellen wären beispielsweise Alkali-Mangandioxid-Zellen und Lithiumbatterien. Bei Alkali-Mangandioxid-Zellen besteht die Kathode aus einer stark verdichteten Mangandioxid-Graphit-Mischung. Sie umgibt praktisch die Anode aus Zinkpulver, die in dem Elektrolyten Kaliumhydroxid (siehe Kalium) enthalten ist. Kathode und Anode sind durch eine poröse Schicht von einander getrennt. Bei den Lithiumbatterien besteht die Anode aus Lithium. Die Kathode ist ähnlich wie bei der Alkali-Zelle aufgebaut, aber aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt. Ein ausgewähltes Beispiel arbeitet mit hochreinem Mangandioxidpulver und einer organischen Verbindung als Elektrolyt.

In quecksilberhaltigen Trockenbatterien besteht die Anode aus Zinkamalgam in gepresster Pulverform. Dabei handelt es sich um eine Legierung aus Zink und Quecksilber. Das Amalgampulver ist in vielen Ausführungen mit dem Elektrolyten (Kaliumhydroxid in Gel) vermischt. Die Kathode einer Quecksilberbatterie setzt sich aus Graphit- und Quecksilberoxidpulver zusammen. Beide Elektroden sind durch eine poröse Schicht getrennt.

Wieder aufladbare Trockenbatterien sind z. B. Nickel-Cadmium- oder Nickel-Eisen-Batterien. Sehr weit verbreitet ist die Nickel-Cadmium-Batterie. Sie enthält eine Cadmium-Elektrode und eine Nickel(III)-hydroxid-Elektrode (in einigen Fachbüchern auch Nickel(III)-metahydroxid) sowie Kaliumhydroxid als Elektrolyt. Die chemische Gesamtreaktion, die diesen Batterien zu Grunde liegt, lautet:

Cd + 2NiOOH + 2H2O ? Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2

Trockenbatterien sind in verschiedenen Ausführungen im Handel erhältlich. Ausgewählte Beispiele für die Primärzellen sind u. a. die Mono-, Baby- und die Mignonzellen. Quecksilberhaltige oder auch lithiumhaltige Batterien gibt es beispielsweise in Form von so genannten Knopfzellen.

Nicht nur die verbrauchten cadmium- und quecksilberhaltigen Batterien, sondern generell alle verbrauchten Trockenbatterien sind Sondermüll und gehören daher nicht in den Hausmüll. Meistens werden verbrauchte Trockenbatterien dem Recycling zugeführt – man gewinnt dabei die Metalle (z. B. Quecksilber, Cadmium, Nickel, Zink) zurück. Dies gelingt jedoch nicht für alle Batteriesorten. So gibt es für Lithiumbatterien zurzeit noch kein adäquates Recyclingverfahren. Ein Teil der verbrauchten Batterien wird auf speziellen Mülldeponien (meist Sondermülldeponien) gelagert