Das Daniell-Element

Lösungen::

Arbeitsaufträge zu Versuch 1:  
1. Fertige eine Übersichtskizze an

2. Welche Metallplatte ist mit welchem Pol des Messgeräts verbunden?
Das Zn-Blech ist mit dem Minus-Pol verbunden, das Kupferblech mit dem Plus-Pol des Messgeräts.

3. Welche Metallplatte übernimmt dann welche Funktion? Elektronendonator/Elektronenakzeptor?
Die Zink-Platte übernimmt die Funktion des Elektronendonators, das Kupferblech die Funktion des Elektronenakzeptors.

4. Welche Funktion hat die Tonzelle? Welche Materialien können vergleichbar funktionieren?
Die Tonzelle funktioniert als semipermeable Membran: sie ermöglicht einen Ladungsaustausch durch Ionenwanderung, verhindert aber die rasche Durchmischung der Lösungen.

5. Welche Einzelreaktionen spielen sich in den jeweiligen Lösungen ab?
Beim Minus-Pol: Zn(s) ---->  Zn²⁺(aq)  +  2 e ̵ 
Beim Plus-Pol:  Cu²⁺(aq)  +  2 e ̵    ---->  Cu(s)

6. Welche Rolle spielt die Größe der Oberfläche der Metalle?
Je größer die Oberfläche, desto mehr Elektronenaustauschreaktionen können stattfinden. Stromstärke und Oberfläche sind zueinander proportional.

7. Welche Faktoren bestimmen die Dauer des Versuchs?
Die Dauer bestimmen vor allem die a) die Größe der Zink-Oberfläche, b) die Konzentration der Kupfersulfat-Lösung, c) die Qualität der semipermeablen Membran.

8..Wie wird eine solche Versuchsanordnung als Gesamtsystem formal dargestellt?Wie wird eine solche Versuchsanordnung als Gesamtsystem formal dargestellt?
Zn(s) +  Cu²⁺(aq)  ---->  Zn²⁺(aq)  +  Cu(s)

9. Beschreibe die Vorgänge in der nebenstehenden Abbildung!
Von der Zink-Platte lösen sich Zn²⁺-Ionen, die Elektronen wandern durch den elektrischen Leiter zur Kupferplatte. Die zunehmende Konzentration an Zn²⁺-Ionen zieht Sulfat-Ionen durch die semipermeable Membran. Auf der Kupferseite werden die Elektronen an der Oberfläche an die Cu²⁺-Ionen abgegeben, wodurch sich Cu-Atome auf der Platte bilden. Durch den Ionenentzug an Cu²⁺-Ionen erhöht sich die Konzentration an Sulfat-Ionen, was die Wanderungsbewegung durch die Membran zur Zink-Seite zusätzlich unterstützt. Tendenziell befinden sich am Ende der Reaktion alle Sulfat-Ionen auf der Zink-Seite, während auf der Kupferseite keine Kupferionen mehr existieren. Die Zink-Platte hat sich dann vollkommen aufgelöst. Durch andere Vorgänge (osmotischer Druck usw.) kommt es jedoch nicht bis zu diesem Punkt..

Beobachtungen zu Versuch 1: Zunächst beobachtet man eine Spannung von ca. 1,1 V. Werden die Elektroden leitend miteinander verbunden, etwa durch Benutzung eines Kleinstmotors, sinkt die Spannung auf ca. 0,7 V ab. An beiden Elektroden kann man eine Gasentwicklung beobachten.

Arbeitsaufträge:
10. Erkläre die Beobachtungen aus Versuch 2.: s.o.

11. Welche Unterschiede gibt es zu Versuch 1?
Im Unterschied zu Versuch 1 gibt es in den beiden Schenkeln zunächst keine Ionen der entsprechenden Sorte: sie müssen erst noch gebildet werden (s.u.). Zudem spielt sich der Elektronenaustausch primär nicht mehr zwischen Cu- und Zink-Elektrode ab, sondern zwischen den Metallen und hydratisierten Wasserstoffionen. 

Während Zink nach wie vor als "unedles" Metall Elektronen nach dem bekannten Schema abgibt , spielt sich auf der anderen Seite die Reaktion 2 H₃O⁺(aq) + 2 e ̵   --->  H₂(g)  + 2 H₂O(l) an der Kupferoberfläche ab.  Da das Redoxpaar Cu/Cu²⁺  in der Spannungsreihe "unterhalb" des Redoxpaares H₂(g)+2 H₂O(l)//2 H₃O⁺(aq) steht, spielt sich hier keine Redoxreaktion ab. Die Kupferoberfläche leitet die Elektronen lediglich weiter an die Wasserstoffionen. Allein zwischen dem Redoxpaar Zn/Zn²⁺und dem Paar Wasserstoff/Wasserstoffionen kommt es also zu einem Elektronenaustausch. Da das Redoxpaar Zn/Zn²⁺ "unedler", weil "höher" in der Spannungsreihe, stellt es das Elektronendonatorensystem dar, während Wasserstoffionen zu Wasserstoffgas entladen werden (Elektronenakzeptorsystem). Die an der Zink-Seite entstehenden Wasserstoffionen entstammen der Reaktion des unedlen Metall mit einer verdünnten Säure, eben nach dem Reaktionsschema 2 H₃O⁺(aq) + 2 e ̵   --->  H₂(g)  + 2 H₂O(l). Die dabei gebildeten Zink-Ionen finden auf der Kupferseite kein "metallisches" Gegenstück, weil eben aus den genannten Gründen der Spannungsreihe das Metall Kupfer nicht mit verdünnter Schwefelsäure reagiert. Der Ladungsausgleich findet also mit Wasserstoffionen statt.   

12. Wann sind die Leistungsgrenzen dieses Systems erreicht?
Wenn die Zink-Elektrode sich aufgelöst hat und wenn alle Wasserstoffionen entladen sind.