Um quantitative Aussagen über Elektronenübergänge von edlen und unedlen Metallen und deren Salzen machen zu können entwickelte John F. Daniell eine Versuchsanordnung, die nach ihm Daniellelement genannt wird. Taucht man einen Zinkstab in eine Kupfersalzlösung so lagert sich elementares Kupfer an dem Stab ab. Es hat eine Redoxreaktion stattgefunden, bei der Kupferionen reduziert und metallenes Zink zu Ionen oxidiert wurde. Da diese Reaktion direkt am Zinkstab stattfindet lässt sie sich schwer quantitativ untersuchen.
Daniell fertigte einen Versuchsaufbau an, bei dem die Halbreaktionen der Redoxreaktion nicht auf der Oberfläche des Stabes sondern getrennt voneinander ablaufen. Er verband zwei Gefäße durch eine poröse Scheidewand (Diaphragma) In den Gefäßen befanden sich zum einen eine Kupfersulfatlösung und zum anderen eine Zinksulfatlösung. Durch das Diaphragma wurde eine Vermischung der Lösungen verhindert. In die Zinklösung tauchte er einen Zinkstab und in die Kupferlösung einen Kupferstab. Die beiden Stäbe wurden über eine Leitung miteinander verbunden, in die ein Spannungsmessgerät eingebaut war [Bild 1] . Nun ließ sich eine Spannung zwischen den beiden Stäben messen.
Da Metalle Elektronen Strom leiten, wandern Elektronen des Zinks durch die Leitung vom unedleren Zink zum edleren Kupfer. Dort treffen sie am Rande des Stabes auf Kupferionen der Kupfersulfatlösung, die zu elementarem Kupfer reduziert werden. Die Zinkatome, die oxidiert wurden, also die Elektronen abgegeben haben gehen als Ionen am Rande des Zinkstabes in Lösung. Durch die vermehrten positiven Ladungen im Bereich der Zinksulfatlösung werden Sulfationen durch das Diaphragma aus dem Kupfersulfatbereich angezogen.
Anstatt der Kupferelektrode lässt sich jedes andere Material verwenden, solange es sich dabei um einen guten Leiter handelt, der edler als Kupfer ist. Bei unedleren Leitern würden die Ergebnisse durch die zweite direkte Reaktion verfälscht. Auch die Zinksulfatlösung lässt sich durch andere Lösungen ersetzen, solange diese nicht mit der Zinkelektrode reagieren. Die zwischen den Elektroden beim Elektronenübergang gemessene Spannung wird auch Potential oder elektromotorische Kraft [E] genannt.
Bei einer 1 molaren Cu2+- und Zn2+-Lösung beträgt diese Spannung bei 25°C etwa 1.11V.
Wie schon beschrieben, lassen sich Elektroden und Salze in diesem Aufbau austauschen und so können weitere Potentiale gemessen werden. Diese Aufbauten nennt man nach dem italienischen Wissenschaftler und Anatomen Luigi Galvani, galvanische Elemente. Die Potentiale dieser Elemente, von denen das Daniell-Element nur eines ist, werden jeweils mit 1 molaren Lösungen gemessen. Da die Spannungen immer nur relativ zum jeweiligen Partner gemessen werden können, hat man sich darauf geeinigt ein Element als Basis für die Messungen der Spannungen zu verwenden.
Eine Wasserstoffelektrode, in welcher Wasserstoffgas eine Platinelektrode umspült, die sich in saurer Lösung befindet, ist eben diese Basis. Gegenüber ihr werden die Spannungen, die gegenüber verschiedensten Metallen auftreten gemessen. Die sich daraus ergebenden Werte lassen sich vergleichen und führen zur elektrochemischen Spannungsreihe.
Im Alltag werden galvanische Elemente, wie das Leclanché Element, die Silberoxid-Zink-Zelle, der Bleiakkumulator, Nickel-Cadmium-Batterien oder die Lithium-Ionen-Zelle als Batterien bzw. Akkumulatoren verwendet. Die Artikel "elektrochemische Spannungsreihe" und "Batterien" im Netchemie Lexikon befassen sich weitergehend mit diesen Themen.
Ein Wort zum Abschluß: Kupfer und Zink erzeugen in Natriumchloridlösung eine Spannung, mit der man eine Uhr betreiben kann. [Bild 2]
