Eine galvanische Zelle oder ein galvanisches Element ist eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Diese Eigenschaft des galvanischen Elements wird in Batterien und Akkus genutzt. Somit kann, wortwörtlich auf Knopfdruck, die in chemischer Form gespeicherte Energie in elektrische Energie umgewandelt werden und zum Betreiben eines Verbrauchers, wie beispielsweise einer Taschenlampe oder eines Handys, genutzt werden.

Eine galvanische Zelle besteht aus zwei voneinander getrennten Halbzellen (Halbelementen). Die beiden Halbzellen unterschieden sich aufgrund des darin verwendeten Metalls. Sie bestehen jeweils aus einer Metallelektrode, die von einer entsprechenden Metallsalzlösung umgeben ist

Eine Zinkhalbzelle erhält man, indem man eine Zinkelektrode in eine Zinksalzlösung taucht. Eine Kupferhalbzelle, durch das Eintauchen einer Kupferelektrode in einer Kupfersalzlösung.

Die beiden Halbzellen werden durch einen Elektronenleiter und eine Ionenbrücke verbunden. Wie der Name schon vermuten lässt, ermöglicht der Elektronenleiter den Transfer der Elektronen und die Ionenbrücke den Transfer von Ionen zwischen den beiden Halbzellen.

Eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht, wird auch als Daniell (oder Daniell‘sches) Element bezeichnet. Sie ist nach John Frederic Daniell, der sie 1836 entdeckte, benannt. Das Daniell-Element dient uns hier als Modell:

Die Funktion einer galvanischen Zelle als Spannungsquelle beruht auf einer Redoxreaktion der beiden Halbzellen. Dabei laufen Reduktion und Oxidation räumlich getrennt in je einer Halbzelle ab.

Nach dem Eintauchen der Metallelektroden in die jeweilige Metallsalzlösung spielen sich an der Metalloberfläche bestimmte Vorgänge ab, die ein negatives Aufladen der Metallelektroden zur Folge haben. In wässriger Lösung lösen sich Metallatome aus dem Metallgitter und gehen als Metall-Ionen in Lösung. Die bei dieser Oxidation der Metallatome freigesetzten Elektronen bleiben an der Oberfläche des Metalls gebunden.

Da die gebildeten Metall-Ionen 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 elektrochemische Doppelschicht.

Innerhalb der elektrochemischen Doppelschicht stellt sich nach kurzer Zeit in jeder Halbzelle ein dynamisches Gleichgewicht zwischen den entsprechenden Redoxpaaren Metallatome/Metallionen ein. Da der Prozess in beiden Halbzellen abläuft, laden sich die Metallelektroden beider Halbzellen negativ auf.

Zn → Zn²⁺ + 2e^- und

Cu → Cu²⁺ + 2e^-

Das Entscheidende bezüglich der negativen Aufladung ist, dass die beiden Halbzellen eine unterschiedliche Gleichgewichtslage aufweisen. Diese Gleichgewichtslage hängt dabei von dem Bestreben eines Metallatoms ab, Elektronen abzugeben, also als Reduktionsmittel zu wirken. Dieses Bestreben wird auch als Lösungstension bezeichnet. Je größer die Lösungstension, umso unedler ist ein Metall (siehe Abbildung).

Da Zink unedler als Kupfer ist, ist seine Lösungstension in wässriger Lösung größer und es werden mehr Zink-Ionen in die Lösung abgegeben. Das Gleichgewicht der elektrochemischen Doppelschicht einer Zinkhalbzelle liegt somit weiter rechts als das Gleichgewicht einer Kupferhalbzelle.

Durch die Verbindung der beiden Elektroden (Elektronenleiter) und der Lösungen (Ionenbrücke) entsteht ein geschlossener Stromkreis. Wir betrachten nun die Elektroden im Verhältnis zueinander.

Betrachtet man die grafische Darstellung der Doppelschichten, erkennt man, dass durch die höhere Lösungstension des Zinks die Zinkelektrode stärker negativ aufgeladen ist. Durch diese negativere Aufladung wird die Zinkelektrode als Ort des höheren Elektronendrucks als Minuspol bzw. Anode und die Kupferelektrode als der Ort des niedrigeren Elektronendrucks als Pluspol bzw. Kathode bezeichnet.

Merke:

Kathode = positiver Pol

Anode = negativer Pol

Aufgrund des genannten Ladungsunterschieds bildet sich zwischen den beiden Halbzellen eine elektrische Spannung. Dies wird auch Potentialdifferenz genannt. Von dieser angetrieben fließen nun Elektronen durch den Elektronenleiter vom Ort des höheren Elektronendrucks (Donatorhalbzelle), der Zinkelektrode, zum Ort des niedrigeren Elektronendrucks (Akzeptorhalbzelle), der Kupferzelle.

An der unedleren Zink-Halbzelle gehen zweifach positive Zink-Kationen in Lösung über, und die beiden freigewordenen Elektronen werden über das Metall und den Elektronenleiter zur Kupfer-Halbzelle geleitet.

Zn → Zn²⁺ + 2e^-

Nachdem die Elektronen zur Kupfer-Halbzelle geflossen sind, werden sie von zweifach positiv geladenen Cu²⁺-Ionen aufgenommen und zu elementarem Kupfer, welches sich an der Oberfläche des Kupferblechs anlagert.

Cu²⁺ + 2e^- → Cu

Die Zinkelektrode löst sich demnach allmählich auf, während die Kupferelektrode schwerer wird.

Der Ladungsaustausch zwischen den Elektrolyten findet durch den Austausch der Zn²⁺-Ionen mit den SO₄²⁻ -Ionen über die Ionenbrücke statt. Somit bleiben die beiden Elektrolyte stets neutral, obwohl an der unedleren immer mehr Zn²⁺-Ionen in Lösung gehen an der edleren immer mehr SO₄^2—Ionen anfallen. Wäre dem nicht so, würde recht schnell der Konzentrations- und Ladungsdruck zwischen Elektrode und Elektrolyt einer weiteren Redoxreaktion entgegenwirken und somit auch der Elektronenfluss zum Erliegen kommen.