Batterien und Akkumulatoren – die Verwendung der galvanischen Zelle

Batterien und Akkumulatoren – die Verwendung der galvanischen Zelle Übung

• Unterscheide zwischen Akkumulator und Batterie.

  Tipps

  Das Kurzwort für Akkumulator ist Akku.

  Überlege dir, in welchen Geräten wohl Akkumulatoren enthalten sind und in welchen Batterien.

  Lösung

  Akkumulatoren und Batterien sind Energiespeicher, die elektrische Energie gezielt abgeben können. Beide sind galvanische Elemente, die sich aber unterscheiden. Die Redoxprozesse, die in einer Batterie ablaufen, sind nicht umkehrbar, weshalb die Batterie nicht wieder aufgeladen werden kann. Sie wird auch Primärzelle genannt. Bei einem Akkumulator ist das nicht so. Akkumulatoren sind Sekundärzellen und können wieder aufgeladen werden, da die ablaufenden Redoxprozesse umkehrbar sind. Ein Beispiel für einen Akkumulator ist die Autobatterie.

• Beschreibe das Daniell-Element.

  Tipps

  Das edlere Metall wird reduziert.

  Lösung

  Das Daniell-Element besteht aus zwei Metall-Elektroden. Die Zink-Elektrode und die Kupfer-Elektrode tauchen jeweils in Zinksulfat- und Kupfersulfat-Lösung ein.

  Die beiden Halbzellen der Elektroden sind durch eine Salzbrücke miteinander verbunden. Durch diese können die Ionen wandern. Durch das unterschiedliche Bestreben beider Metalle, in Elektrolytlösungen Ionen zu bilden, kommt es zu einem Redoxprozess. Dabei wird das unedlere Metall Zink von $Zn$ zu $Zn^{2+}$-Kationen oxidiert, während das edlere Metall Kupfer reduziert wird. Es entsteht an der Kupfer-Elektrode also weiteres Kupfer, während die Zink-Ionen in Lösung gehen.

  Da die beiden Halbzellen miteinander verbunden sind, wird ein Stromkreis geschlossen und die erzeugte Spannung kann gemessen werden. Dabei ist die erzeugte Spannung abhängig von den verwendeten Metallen. Die Redoxprozesse sind freiwillig ablaufende Reaktionen, die solange ablaufen, bis sich das galvanische Element vollständig entladen hat.

  Übrigens: Der britische Chemiker John Frederic Daniell entwickelte 1836 als Erster ein galvanisches Element genau zur richtigen Zeit, denn durch den steigenden Telegrafenverkehr der kurz zuvor eingeführten Telegrafenapparate wurden höhere Stromstärken und stärkere Leistungen der Stromquellen benötigt.

• Erkläre die Zitronenbatterie.

  Tipps

  Erinnere dich: Wie war es beim Daniell-Element?

  Lösung

  Schaue dir die Abbildung an. Vom Strahl kannst du ablesen, welches Metall das unedlere und welches das edlere Element ist. Wie beim Daniell-Element ist auch hier Kupfer das edlere Element und wird reduziert. Deshalb werden an der Kupfer-Elektrode Kupfer-Ionen reduziert. Magnesium hingegen ist unedler und wird oxidiert. Magnesium-Ionen gehen in Lösung. Wenn du dir die Gleichungen aufschreibst, erkennst du, dass die Elektronen von Magnesium zu Kupfer wandern müssen. Daher fließt natürlich auch der Strom von Magnesium, dem Minus-Pol, zum Plus-Pol, der Kupfer-Elektrode. Dabei fließt der Strom durch die kleine Lampe und sie beginnt zu leuchten.

  Übrigens, auch mit einer Banane, einem Apfel oder einer Birne kann man fruchtigen Strom erzeugen.

• Gib an, welche Redoxreaktionen freiwillig ablaufen und welche nicht.

  Tipps

  Schaue dir die elektrochemische Spannungsreihe an.

  Je positiver das Elektrodenpotential, umso edler ist das Element.

  Das edlere Element wird reduziert, während das unedlere Element oxidiert wird.

  Damit eine Redoxreaktion freiwillig ablaufen kann, muss das unedlere Element in seiner reduzierten Form diese Reaktion eingehen.

  Oxidation bedeutet Elektronenabgabe.

  Lösung

  Die Elektrochemische Spannungsreihe hilft dir, Voraussagen zu machen, ob eine Redoxreaktion freiwillig ablaufen wird oder nicht. Die Elektronen fließen immer vom unedleren zum edleren Element. Das unedlere Element wird also oxidiert (es gibt Elektronen ab) und das edlere Element reduziert (es nimmt Elektronen auf).

  Es ist also erstens wichtig, welches Element das edlere von beiden ist, und zweitens ist es wichtig, dass jeweils die richtige Form die Reaktion eingehen soll. Denn die oxidierte Form des unedleren Elements wird keine Reaktion freiwillig mit der reduzierten Form des edleren Elements eingehen.

  Schaue dir nun die angegebenen Reaktionen an und vergleiche mit der elektrochemischen Spannungsreihe, welches Element edler und das dazugehörige Elektrodenpotential somit positiver ist. Prüfe nun, ob das unedlere Element in seiner reduzierten Form die Reaktion eingehen soll. Ist dies der Fall, reagiert die Reaktion freiwillig, wie bei

  $Zn + Ag^+$

  $Fe + Cu^{2+}$

  $Cu^+ + Zn$.

  Ist dies nicht der Fall, verläuft diese Reaktion nicht freiwillig.

• Erkläre, warum Batterien nicht wieder aufgeladen werden können.

  Tipps

  Überlege dir, was bei einem Akkumulator anders ist als bei einer Batterie.

  Lösung

  Batterien können nicht wieder aufgeladen werden, was daran liegt, dass die Reaktionen, die in ihr stattfinden, nicht umkehrbar sind. Dadurch wird das Aufladen verhindert. Ganz anders ist es beim Akkumulator. Dort sind alle Reaktionen umkehrbar und dadurch kann man ihn wieder aufladen.

  Vielleicht kennst du wiederaufladbare Batterien, die es im Laden zu kaufen gibt. Doch dies sind keineswegs Batterien. Vielmehr müssten sie Akkumulatoren heißen.

• Vervollständige die Vorgänge eines Lithium-Ionen-Akkumulators.

  Tipps

  Erinnere dich an die Definition von Oxidation und Reduktion.

  Oxidation bedeutet Elektronenabgabe, während bei der Reduktion Elektronen aufgenommen werden.

  Bei einer Redoxgleichung ist es wichtig, dass die Reaktionen elektrisch ausgeglichen sind. Es dürfen also auf der rechten Seite nicht mehr oder weniger negative Ladungen als auf der linken Seite stehen.

  Lösung

  Bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator wird Lithium zu $Li^+$ oxidiert, während Mangan reduziert wird.

  Bei der Oxidation werden Elektronen abgegeben, bei der Reduktion aufgenommen.

  Gesamtgleichung: $Li_4 + 4~MnO_2 \rightarrow 4~LiMnO_2$

  Oxidation: $Li_4 \rightarrow 4~Li^+ + 4~e^-$

  Reduktion: $4~Mn^{4+} + 4~e^- \rightarrow 4~Mn^{3+}$

  Lithium-Ionen-Akkus versorgen tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, für die herkömmliche Akkus zu schwer oder zu groß wären. Dies sind beispielsweise Mobiltelefone, Digitalkameras, Camcorder oder Laptops sowie Elektro- und Hybridfahrzeuge.