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Funktion: eckige Klammern nicht nötig

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[[Datei:NMAH-Daniell cell batteries 1836.JPG|mini|Sechs Daniell-Elemente mit äußeren Kupfergefäßen, darin Tontiegel als Diaphragma mit Zinkstab.]]
Das '''Daniell-Element''' (auch '''Daniell’sches Element''') ist eine historische [[galvanische Zelle]], die aus einer [[Zink]]- und einer [[Kupfer]]-[[Halbzelle]] besteht. Sie ist nach [[John Frederic Daniell]] benannt, der sie 1836 entwickelte.<ref>William Edward Ayrton: ''Practical Electricity'', London, Cassell, 1891 [https://archive.org/details/5thpracticalelec00ayrtuoft Online]</ref>

== Aufbau ==
[[Datei:Daniells Cell.jpg|mini|Schnittdarstellung Daniellsches Element, historische Bauform]]
Ein Zinkstab (''Z'' in der Abbildung) im Inneren der Zelle taucht in einer Lösung aus verdünnter [[Schwefelsäure]]. Diese befand sich in historischen Bauformen in einem Behälter aus porösem [[Steingut]] (P), welcher seinerseits im Außenbereich in eine konzentrierte oder noch besser gesättigte Lösung aus [[Kupfersulfat]] getaucht ist. In die Kupfersulfatlösung taucht die zweite Elektrode aus Kupfer, ''C'', ausgeführt als zylinderförmig gebogenes Kupferblech. Die gesamte Zelle ist in einem Außenbehälter ''J'' untergebracht.

Das [[Diaphragma (Elektrochemie)|Diaphragma]], auch als ''Salzleiter'' oder [[Salzbrücke]] bezeichnet und in der ursprünglichen Bauform in Form eines [[Tiegel (Gefäß)|Tiegels]] aus Steingut realisiert, dient dazu, die [[Diffusion]]sdurchmischung der unterschiedlichen Metall[[kation]]en aus den beiden Lösungen zu verhindern und dennoch einen Ladungsausgleich durch [[Anion]]en durch das poröse Material zu ermöglichen.

In der ursprünglichen Bauform mit Steingut als Diaphragma beträgt der [[Innenwiderstand]] einer Zelle rund 10 [[Ohm (Einheit)|Ω]], was bei einer Elementspannung von 1,1 [[Volt (Einheit)|V]] einen maximalen Entladestrom im Bereich von 100 [[Ampere (Einheit)|mA]] zulässt. Zur Vermeidung dieses hohen Innenwiderstandes wurden verschiedene [[Gravity-Daniell-Element]]e entwickelt, welche als wesentlichen Unterschied das poröse Diaphragma weglassen. Die Sicherstellung der vertikal übereinander angeordneten Sulfatlösungen wird in verschiedenen konstruktiven Ansätzen wie dem [[Meidinger-Element]], [[Callaud-Element]] oder [[Lockwood-Element]] durch unterschiedliche Dichten der Sulfatlösungen und durch die [[Gravitation]] erreicht.

Zur Herstellung eines Daniell-Elements, dessen Spannung der Differenz der [[Standardpotential]]e entspricht, sollten eine Zinksulfatlösung und eine Kupfersulfatlösung mit einer [[Aktivität (Chemie)|Aktivität]] von jeweils 1 [[mol]] pro Liter verwendet werden, näherungsweise können stattdessen die Konzentrationen 1 mol pro Liter betragen. Für eine Potentialmessung kann die Verbindung der beiden Sulfatlösungen in getrennten Behältern auch über ein spezielles U-Rohr mit Diaphragma als [[Ionenleiter]] verbunden werden.
Soll nicht die Differenz der Standardpotentiale gemessen, sondern eine möglichst hohe Spannung und eine möglichst hohe Kapazität erreicht werden, so wird die Kupfersulfatkonzentration so hoch wie möglich gewählt, d. h. die Lösung wird gesättigt und sollte möglichst noch ungelöstes CuSO4 enthalten. Der Einfachheit halber wird auf der Zinkseite oft eine Lösung von Zinksulfat verwendet. Ist das Ziel hingegen, mit einer neuen Zelle eine möglichst hohe Spannung zu erzielen, muss die Konzentration der Zinkionen so gering wie möglich gewählt werden, d. h., beim Aufbau der Zelle auf der Zinkseite verdünnte Schwefelsäure oder eine Natriumsulfatlösung einzufüllen. Die Schwefelsäure muss verdünnt sein, da sich Zink ansonsten unter Wasserstoffentwicklung löst.

== Funktion ==
[[Bild:Galvanic cell labeled.svg|mini|Daniell-Element; links die [[Donatorhalbzelle]] mit unedlerem Zink; rechts die [[Akzeptorhalbzelle]] mit dem edleren Kupfer]]
Zink hat ein geringeres [[Standardpotential]] als Kupfer, d. h., Zink ist unedler als Kupfer und die [[Lösungstension]] von Zink ist größer. Deshalb gehen am Zinkstab verhältnismäßig viele Zinkionen in die Lösung, während sich am Kupferstab nur relativ wenige Kupferionen ablösen und ihre Elektronen im Metall zurücklassen. In der [[Zinkelektrode]], dem negativen Pol und in diesem Fall der [[Anode]], werden mehr Elektronen zurückgelassen, weswegen sie negativer geladen ist als der Kupferstab, was den Aufbau einer elektrischen Spannung bedeutet.

Die überschüssigen Elektronen im oxidierenden Zink (Zn) wandern über einen Leiter vom Zink zum Kupfer (Cu). Dabei lässt sich bei Standardbedingungen eine Spannung von 1,1 V messen. Dies ist die elektrische [[Quellenspannung]], die sich aus dem [[Redoxpotential]] von Kupfer (''E''0(Cu) = +0,34 V) und dem von Zink (''E''0(Zn) = −0,76 V) zusammensetzt.

Die gelösten Kupferionen nehmen die Elektronen auf und lagern sich als Kupfer an der Elektrode, in diesem Fall der [[Kathode]], ab. Da auf der einen Seite positive Zinkionen in Lösung gehen und sich auf der anderen Seite Kupfer ablagert, muss ein Ladungsausgleich stattfinden. Über die [[Salzbrücke]] wandern [[Sulfat]]-Anionen SO42− zum Anodenraum und Zink-Kationen Zn2+ in entgegengesetzte Richtung. So wird der Stromkreis geschlossen.

Die beiden Teilvorgänge der [[Redoxreaktion]] können also räumlich getrennt werden. Die Elektronen gehen nicht direkt vom System Zn/Zn2+ auf das System Cu/Cu2+ über, sondern wandern zuerst über einen Draht vom Zink zum Kupfer. Es fließt ein Elektronenstrom.

Die beiden getrennten Teilsysteme nennt man „Halbzellen“. Die Zinkelektrode löst sich mit der Zeit infolge der [[Korrosion]] auf, während die Kupferelektrode an Masse zunimmt.
Es liegen 2 [[Redox-Paar|Redoxpaare]] (Zn/Zn2+ sowie Cu/Cu2+) vor.

Reaktionsgleichung:

:Zellendiagramm: Zn/Zn2+//Cu2+/Cu

:Reduktion: <math>\mathrm{\ Cu^{2+} + 2 e^{-} \rightarrow Cu}</math>

:Oxidation: <math>\mathrm{\ Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2 e^{-}}</math>

:Gesamtreaktion (Redoxreaktion): <math>\mathrm{\ Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu}</math>

== Literatur ==
* {{Literatur
| Autor=[[Werner Döring]]
| Titel=Einführung in die theoretische Physik
| Band=I, Mechanik
| Auflage=2., verb. Aufl. Reprint 2019
| Verlag=De Gruyter
| Ort=Berlin
| Datum=2019
| ISBN=3111702421
| Seiten=
}}
* {{Literatur
| Autor=Milla González, Miguel
| Titel=Galvanic cells: setting up the Daniell cell
| Hrsg=Universidad de Cádiz
| Datum=2008-09-24
| OCLC=1155020024
}}
* {{Literatur
| Autor=Ortega Navarro, Emma María, Giner Sanz, Juan José
| Titel=Optimization of the anodic electrolyte of an aqueous Daniell Cell
| Hrsg=Universitat Politècnica de València
| Datum=2022-06-09
| OCLC=1334339854
}}

== Weblinks ==
{{Wikisource|Wirkungen einer großen constanten Batterie}}
{{commonscat|Daniell cell}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Navigationsleiste Galvanische Zellen}}

[[Kategorie:Historische Batterie]]
[[Kategorie:Primärbatterie]]

Daniell-Element - Versionsgeschichte

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