Batterie und Akkumulator

Batterie und Akkumulator Übung

• Bestimme den Unterschied zwischen Akkumulatoren und Batterien.

  Tipps

  Beim Daniell-Element sind $Zn$ und $Cu^{2+}$ die Aktivmassen.

  Lösung

  Eine Batterie ist ein Primärelement. Diese galvanischen Primärelemente bestehen mindestens aus zwei Halbzellen, können aber auch mehrere in Reihe oder parallel geschaltet haben. Im Primärelement wird sofort nach dem Schließen des Stromkreises (z.B. Einlegen der Batterie in die Fernbedienung) eine Spannung erzeugt. Der Stromfluss erfolgt dann so lange, bis die Aktivmassen verbraucht sind. Die sogenannten Aktivmassen sind chemische Substanzen an den Elektroden, die während des Lade- oder Entladevorgangs in einer elektrochemischen Reaktion zu anderen Stoffen reagieren. Sind die Aktivmassen komplett abreagiert und ist die Reaktion nicht umkehrbar, so kann die Batterie keinen Strom mehr liefern.

  Im Gegensatz zur Batterie kann der Akkumulator wieder aufgeladen werden. In ihm können die chemischen Substanzen, die beim Entladen enstehen, durch elektrische Energie (Elektrolyse) wieder in die Ausgangs-Aktivmassen umgewandelt werden. Diese liefern beim Schließen des Stromkreises erneut eine Spannung.

• Erkläre die Aufgabe der verschiedenen Substanzen in der Zink-Kohle-Batterie.

  Tipps

  Die Anode ist immer das unedlere Material.

  An der Anode findet die Oxidation statt.

  Lösung

  Das Leclanché-Element ist eine Primärzelle, deren Elektroden durch Zink und Braunstein ($MnO_2$) gebildet werden.

  Zink bildet als unedelstes Element die Anode, d.h. es wird zu Zink(II)-Ionen oxidiert. Die frei werdenden Elektronen wandern zum Braunstein, der reduziert wird. Zur Reduktion wird ebenfalls Wasser benötigt, dieses wird vom Ammoniumchlorid bereitgestellt:

  • $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2~e^-$
  • $2~{NH_4}^+ + 2~OH^- \rightarrow 2~NH_3 + 2~H_2O$
  • $2~Mn(IV)O_2 + 2~H_2O + 2~e^-\rightarrow 2~MnO(OH) + 2~OH^-$

  Der bei der zweiten Reaktion entstehende Ammoniak wird nicht als Gas frei, sondern komplexiert das Zink:

  • $Zn^{2+} + 2~NH_3 \rightarrow {[Zn{(NH_3)}_2]}^{2+}$

  _____________________________________________________________________

  Gesamt: $Zn + 2~MnO_2 + 2~NH_4Cl \rightarrow 2~MnO(OH) + [Zn{(NH_3)}_2]Cl_2$

• Erkläre die Funktionsweise vom Bleiakkumulator.

  Tipps

  Bei einer Elektrolyse reagieren immer die aktivsten Teilchen (frei in Lösung dissoziiert).

  Im entladenen Zustand des Akkus besteht die Lösung aus Hydronium-Ionen, d.h. $H^+$ und $H_2O$.

  Achte auf die Oxidationszahlen des Bleis in den Verbindungen. Blei: 0 Blei(IV)-oxid: IV Bleisulfat: II

  Lösung

  Der Bleiakkumulator ist ein Sekundärelement, welches am Minuspol eine metallische Blei-Elektrode besitzt und am Pluspol eine Blei-Elektrode mit einem Überzug aus Bleisulfat. Beide Elektronen tauchen in dieselbe konzentrierte Schwefelsäure-Lösung (32%).

  a.) Entladevorgang Beim Entladen findet am Minuspol die Oxidation statt, d.h. Blei ist in diesem Fall die Anode. Am Pluspol wird das Blei(IV)-oxid in Anwesenheit von Schwefelsäure reduziert, es handelt sich um die Kathodenreaktion. Solange noch Aktivmasse, d.h. $Pb$ und $PbO_2$ vorhanden ist, fließt Strom. Bei beiden Reaktionen bildet sich Blei(II)-sulfat, welches sich auf der Elektrode abscheidet.

  • (-) Anode: $Pb \rightarrow Pb^{2+} + 2~e^-$
  • (+) Kathode: $PbO_2 + 4~H^+ + {SO_4}^{2-} +2~e^- \rightarrow PbSO_4 + 2~H_2O$

  b.) entladener Zustand Im entladenen Zustand ist nur noch schwach konzentrierte Schwefelsäure (< 32%) als Elektrolyt vorhanden. Es fließt kein Strom mehr.

  c.) Aufladen Beim Aufladen wird Strom an die Lösung angelegt, d.h. es kommt zur Elektrolyse. Der Minuspol bildet nun die Kathode und der Pluspol die Anode. Die Elektrodenreaktionen erfolgen unter einer Überspannung, damit das Wasserstoff-Ion nicht an der Kathode zu Wasserstoff reduziert wird:

  • (-) Kathode: $PbSO_4 + 2~e^- \rightarrow Pb + {SO_4}^{2-}$
  • (+) Anode: $PbSO_4 + 2~H_2O \rightarrow PbO_2 + 4~H^+ + {SO_4}^{2-} +2~e^-$

  Als Gesamtgleichung ist damit festzuhalten:

  • $Pb + PbO_2 + 4~H^+ + 2~{SO_4}^{2-} \rightleftarrows 2~PbSO_4 + 2~H_2O$

  Um als Starterbatterie zu dienen, werden 6 dieser Zellen, die jeweils 2 Volt liefern, in Reihe geschalten, um 12 V zu erzeugen.

• Entscheide, welche Materialien zum Batteriebau benötigt werden.

  Tipps

  Für eine galvanische Zelle benötigt man einen Elektrolyt vom selben Element wie die Elektrode.

  Um aus einen Metall eine Ionenverbindung zu machen, kann man es mit Säure umsetzen.

  Lösung

  Um eine Batterie aufzubauen, benötigt man zwei Halbzellen. Max und Mia wollten Kupfer als Kathodenzelle, also brauchen sie ein unedleres Material für die Anode. Das ist in diesem Fall Eisen. Ein Halbzelle muss allerdings auch einen Elektrolyten haben, mit Ionen von dem Metall, aus dem die Elektrode besteht.

  Um diese wässrige Elektrolytlösungen chemisch herzustellen, muss ein Metall mit Säure reagieren:

  • $M + 2~HX \rightarrow MX_2 + H_2$

  Die Säure kann z.B. von Zitronen oder aus der Cola stammen.

  Das nächste benötigte Element ist eine Salzbrücke. Dafür braucht man z.B. einen Schwamm oder anderen Stoff, der mit Kochsalz oder Kaliumchlorid getränkt ist. Dieser ermöglicht den Austausch von Ionen, sodass es keine Konzentrationsunterschiede gibt.

  Jetzt müssen nur noch die Münzen und Eisen-Stücke über ein Kabel elektrisch leitend verbunden werden, dann wird sofort eine Spannung von 0,76 V erzeugt. Um das Auto zu starten müssen ca. 15 solcher Zellen in Reihe geschalten werden.

• Beschrifte das Leclanché Element.

  Tipps

  Ammoniumchlorid dient zur Bereitstellung von Wasser bei der Reduktion. Frei werdender Ammoniak komplexiert die Reaktionsprodukte der Oxidation.

  Lösung

  Das Leclanché-Element ist eine Primärzelle, deren Elektroden durch Zink und Braunstein ($MnO_2$) gebildet werden. Graphit und der Stahlmantel dienen zur Übertragung der Elektronen zwischen Anode und Kathode, sie sind in der elektrochemischen Reaktion inert.

  Zink bildet als unedelstes Element die Anode, d.h. es wird zu Zink(II)-Ionen oxidiert. Die frei werdenden Elektronen wandern zum Braunstein, der reduziert wird. Zur Reduktion wird ebenfalls Wasser benötigt, dieses wird vom Ammoniumchlorid bereitgestellt:

  • $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2~e^-$
  • $2~{NH_4}^+ + 2~OH^- \rightarrow 2~NH_3 + 2~H_2O$
  • $2~Mn(IV)O_2 + 2~H_2O + 2~e^-\rightarrow 2~MnO(OH) + 2~OH^-$

  Der bei der zweiten Reaktion entstehende Ammoniak wird nicht als Gas frei, sondern komplexiert das Zink:

  • $Zn^{2+} + 2~NH_3 \rightarrow {[Zn{(NH_3)}_2]}^{2+}$

  Deswegen befindet sich die Ammoniumchlorid-Lösung als Seperator zwischen Anode und Kathodenraum. _____________________________________________________________________

  Gesamt: $Zn + 2~MnO_2 + 2~NH_4Cl \rightarrow 2~MnO(OH) + [Zn{(NH_3)}_2]Cl_2$

  Wegen der Reduktion vom Braunstein an der Kohlestabelektrode bildet diese den Pluspol und der Stahlmantel gibt den Minuspol.

• Bestimme, welche Zellen ein Primärelement sind.

  Tipps

  Was sind die Aktivmassen? Welche Elektrodenreaktionen würden diese im entladenen Zustand eingehen?

  Lösung

  Ein Primärelement zeichnet sich dadurch aus, dass beim Schließen des Stromkreises sofort eine Spannung erzeugt wird. Der Strom fließt dann allerdings nur so lange, bis die Aktivmassen verbraucht sind. Bei der Elektrolyse dieser "Reaktionsprodukte" können die Ausgangststoffe nicht wiederhergestellt werden.

  a.) $FeSO_4|Fe||CuSO_4|Cu$

  Beim Entladen baut sich die Eisenelektrode ab und die Kupfer-Ionen aus der Lösung werden zu Kupfer. Die Aktivmassen hierbei sind: $Fe,~Cu^{2+}$. Im entladenen Zustand besteht die Lösung hauptsächlich nur noch aus Eisensulfat. Ein verschwindend geringer Teil Kupfersulfat wird ebenfalls noch vorhanden sein. Elektrolysiert man Eisensulfatlösung, so laufen folgende Elektrodenreaktionen ab:

  • (-) Kathode: $Fe^{2+} + 2~e^- \rightarrow Fe$
  • (-) Anode: $4~OH^- \rightarrow O_2 + 2~H_2O$

  Deswegen können die Ausgangsstoffe nicht zurückgebildet werden.

  b.) $Zn{(NO_3)}_2|Zn||Ag|AgNO_3$

  Die Aktivmassen dieser Zelle sind: $Zn,~Ag^+$. Im entladenen Zustand besteht die Lösung größtenteil aus Zinknitratlösung. Bei der Elektrolyse dieser Lösung würde an der Kathode Zink und an der Anode ebenfalls wieder Sauerstoff entstehen.

  c.) $KOH|Cd||NiO(OH)|KOH$

  Cadmium ist das unedlere Metall und bildet die Anode. Da die Elektrolytlösung Hydroxid-Ionen enthält, bildet sich an der Anode eine Cadmium-Hydroxid Schicht. An der Kathode wird das Nickeloxidhydroxid zum Nickelhydroxid reduziert. Diese Reaktionen sind durch Elektrolyse umkehrbar, da im entladenen Zustand die Metallhydroxide beider Metalle vorliegen.

  • (-) $Cd + 2~OH^- \rightarrow Cd{(OH)}_2 + 2~e^-$
  • (+) $2~NiO(OH) + 2~H_2O + 2~e^- \rightarrow 2~Ni{(OH)}_2 + 2~OH^-$

  __________________________________________________________________

  Gesamt: $Cd + 2~NiO(OH) + 2~H_2O \rightleftarrows Cd{(OH)}_2 + 2~Ni{(OH)}_2$

  Diese Sekundärzelle wird auch als Nickel-Cadmium-Akkumulator bezeichnet.

  d.) $Cl_2|Pt||Cu|CuSO_4$

  Die Aktivmassen sind Chlor und Kupfer. Im entladenen Zustand besteht die Lösung aus Chlorid-Ionen und Kupfer-Ionen. Wird diese Lösung elektrolysiert, so entstehen wieder Kupfer und Chlor. Es handelt sich um eine fiktive Sekundärzelle.