Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.

Immer wieder erreichen uns Mitteilungen von wohlmeinenden Schülern, Lehrern und anderen Lesern, in denen wir auf einen vermeintlichen Fehler hingewiesen werden - so von Christoph:

Sehr geehrter Herr Prof. Blume,
in Ihrer Darstellung der Primärzelle (Daniell-Element) ist Ihnen ein Fehler unterlaufen; es muss heissen: Kathode = Minuspol und Anode = Pluspol! Mit freundlichen Grüssen Christoph

Lieber Christoph,
Dank für den Hinweis. Sicherlich meinst du das Bild in der Webseite

/dc2/echemie/danelet.htm

Daniell-Element.
Der Strom liefernde Kreislauf ist rot eingezeichnet

Gleich vorneweg:
Die Begriffe Anode und Kathode haben nichts mit dem Vorzeichen der Polung zu tun
- eine Tatsache, auf die nicht nur Schüler immer wieder hereinfallen.

Hier sind die genauen Definitionen, die für jeden Elektrodenvorgang gelten:

Die Anode ist der Pol, an dem oxidierende Prozesse ablaufen.

Die Kathode ist der Pol, an dem reduzierende Prozesse ablaufen.

Das damit verbundene Pol-Vorzeichen hängt davon ab, was für ein Vorgang abläuft. Dazu unterscheiden wir die Vorgänge bei Elektrolysen (endotherm) von denen in galvanischen Elementen (exotherm).

Zur Verdeutlichung nehmen wir als Beispiel eine Zinkiodid-Lösung, in die eine Zinkelektrode und eine Graphitelektrode eintauchen. Mit dieser Anordnung kann man beide Vorgänge zeigen, denn es handelt sich hierbei um einen Akkumulator, also um ein galvanisches Element, das durch Elektrolyse wieder aufgeladen werden kann.

Versuch: Der Zinkiodid-Akkumulator In ein Becherglas füllen wir eine 5%ige Lösung von Zinkiodid. Falls Zinkiodid nicht zur Hand ist, kann man auch Kaliumiodid und Zinksulfat mischen. 1 Laden des Akkus durch Elektrolyse Wir tauchen eine Zinkelektrode in die Lösung und verbinden sie mit dem Minuspol eines Ladegeräts. Mit einer Graphitelektrode verfahren wir analog, indem wir sie mit dem Pluspol verbinden. Wir elektrolysieren bei ca. 2 V Gleichspannung. Am Minuspol entsteht ein Zinküberzug. Am Pluspol bildet sich Iod, erkenntlich an braunen Schlieren. 2 Entladen des Akkus Wir trennen die Verbindungen zum Ladegerät. Dann messen wir zunächst die Spannung zwischen den Polen des Akkus und stellen dabei die Zuordnung der Polvorzeichen fest. Wir sehen, dass sich die Vorzeichen nicht geändert haben: Der Zinkstab ist weiter Negativpol, der Graphitstab mit dem Iod Pluspol. Dann schalten wir einen Prüfmotor ein. Er läuft.

Betrachten wir zunächst die Ergebnisse der Elektrolyse
Hier stimmt scheinbar alles:

1 Die Kathode ist zugleich Minuspol, denn da wandern die positiv geladenen Kationen hin und werden unter Aufnahme von Elektronen entladen, also reduziert.

Zn²⁺ + 2 e^- ———> Zn

2 Die Anode zieht bei der Elektrolyse die negativ geladenen Anionen an, ist also Pluspol. Die Anionen werden hier unter Abgabe von Elektronen entladen, also oxidiert.

2 I^- ———> I₂ + 2 e^-

Nun zu den Abläufen in dem galvanischen Element
1 Am Zinkstab läuft folgender Vorgang ab, der dem Ladevorgang entgegen läuft:

Zn ———> Zn²⁺ + 2 e^-

Zink wird also oxidiert. Damit ist der Zink-Pol zur Anode geworden. Sie produziert jetzt Elektronen, ist also Minus-Pol!

2 Am mit Iod getränkten Graphitstab wird Iod reduziert.

I₂ + 2 e^- ———> 2 I^-

Damit ist der Iod-Pol zur Kathode geworden. Sie saugt bei Verbindung mit dem Zinkstab Elektronen an, ist also Plus-Pol!

Beim Vergleich von Elektrolyse und Galvanischem Element kehren sich nicht die Pol-Zeichen um. Jedoch ändert sich die Richtung des Elektronenflusses, also kehren sich die Vorgänge "Reduktion" und "Oxidation" um. Das gilt letztlich dann auch für die Bezeichnungen "Anode" und "Kathode".

Wenn wir genau hinsehen, erkennen wir, dass das mit der Polung sowieso sehr verwirrend ist. Wir müssen bei der Elektrolyse eigentlich genau sagen, dass wir den negativen Pol des Ladegeräts an das Zinkblech anschließen, um zur Reduktion Elektronen hineinzupumpen. Diese Elektronen bekommen wir zurück, wenn wir das System als galvanisches Element schalten. Dann ist der Zinkstab wirklich Minuspol, weil er jetzt Elektronen produziert. Analog (aber umgekehrt) ist alles bei dem Graphitstab.

Wie ist es dann um die alte Definition bestellt, die ja besagt, dass an die Anode (negativ geladene) Anionen wandern, an die Kathode (positiv geladene) Kationen? In dem obigen Bild des Daniell-Elements stimmt das auch! Cu²⁺-Ionen wandern zur Kathode (die allerdings positiver Pol des galvanischen Elements ist) und verschwinden, da sie entladen werden. Zum Ladungsausgleich wandern Sulfat-Ionen in Richtung auf die negativ geladene Anode, an der sich Zn²⁺-Ionen anhäufen. Damit die Sulfat-Ionen wandern können, benötigen wir ja das Diaphragma.

Übrigens nennt man die Elektrode aus Magnesium, mit der man vor der Oxidation (Rosten) zu schützende Eisenwerkstücke negativ auflädt, "Opferanode". Man spricht hierbei gern auch vom "Kathodischen Korrosionsschutz".

Alles klar?

Mit freundlichen Grüßen

Rüdiger Blume

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