Wie funktioniert eine Batterie?

Wie funktioniert eine Batterie? Übung

• Gib an, wie es zur Entstehung einer Spannung zwischen zwei Metallen kommt.

  Tipps

  Es gibt drei richtige Antworten.

  Eine Potentialdifferenz entsteht nicht durch eine Subtraktionsaufgabe.

  Lösung

  Es gibt Metalle, die nehmen Elektronen auf, andere Metalle geben Elektronen ab, beispielsweise die Elemente Zink und Kupfer. Zink gibt Elektronen ab und Kupfer nimmt Elektronen auf. Auch das Element Lithium gibt Elektronen ab – Edelmetalle wie Gold aber nicht.
  Gibt ein Metall seine Elektronen an ein anderes Metall ab, entsteht eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Metallen.
  Eine Potentialdifferenz ist eine Spannung.
  Werden beide Metalle über einen Verbraucher miteinander verbunden, fließt ein elektrischer Strom.

  Die richtigen Aussagen sind daher:

  • Es gibt Metalle, die nehmen Elektronen auf, andere Metalle geben Elektronen ab.
  • Gibt ein Metall seine Elektronen an ein anderes Metall ab, entsteht eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Metallen.
  • Eine Potentialdifferenz ist eine Spannung.

• Beschreibe den Aufbau einer galvanischen Zelle.

  Tipps

  Die Anode gibt Elektronen ab.

  Durch die Ionenbrücke werden Ionen ausgetauscht.

  Eselsbrücke:

  Die Kathode ist katholisch und wird deswegen mit einem Kreuz (+) beschriftet.
  Das bedeutet, dass die Kathode immer den Pluspol darstellt.

  Lösung

  Schaue dir die zu füllenden Lücken genau an:

  Die Kathode ist positiv geladen. Im Bild kannst du sehen, dass sie aus Kupfer besteht.
  Die Anode ist dann negativ geladen. Sie besteht aus Zink.
  Damit die galvanische Zelle funktioniert, tauchen Anode und Kathode in eine Elektrolyt-Lösung (bzw. Elektrolytlösung) ein. Bei einer Kupfer-Zink-Zelle ist es günstig, Kupfersulfat zu verwenden. Eine Ionenbrücke stellt sicher, dass Ionen zwischen den Behältern ausgetauscht werden, ohne dass sich die Flüssigkeiten vermischen.
  Durch die galvanische Zelle kann ein Verbraucher mit Energie versorgt werden.

• Beschreibe die Arbeitsweise einer galvanischen Zelle.

  Tipps

  Anode und Kathode tauchen in eine Kupfersulfat-Lösung ein.

  Durch die Abgabe von Elektronen entstehen positive Zink-Ionen an der Anode.

  Mit einer Ionenbrücke können Ionen zwischen den beiden Kammern der Zelle ausgetauscht werden.

  Lösung

  Eine galvanische Zelle besteht aus zwei Elektroden. Eine der Elektroden setzt Elektronen frei. Das ist die Zink-Anode. Die andere Elektrode ist die Kupfer-Kathode. Sie nimmt Elektronen auf.

  Beide Elektroden tauchen in getrennte Kammern ein, in denen sich eine Kupfersulfat-Lösung befindet. Um die Anode entstehen durch die Abgabe von Elektronen positive Zink-Ionen. Durch die Kupfersulfat-Lösung befinden sich um die Kathode bereits positive Kupfer-Ionen. Eine Ionenbrücke stellt sicher, dass Ionen zwischen den beiden Kammern ausgetauscht werden können, ohne dass sich die Lösungen vermischen.

  Wird ein Verbraucher angeschlossen, wandern die von der Anode freigesetzten Elektronen zur Kathode. Das geschieht, weil die Elektronen negativ und die Kathode positiv geladen sind. Durch den Verbraucher fließt ein elektrischer Strom. Über die Ionenbrücke wandern gleichzeitig negative Sulfat-Ionen von der Kathode zur Anode.

  Sind die Sulfat-Ionen an der Kathode aufgebraucht, ist die galvanische Zelle entladen: Der Prozess kann ohne die Wanderung der Sulfat-Ionen nicht weiter stattfinden.

• Arbeite wichtige Merkmale von Batterie und Akkumulator heraus.

  Tipps

  Eine galvanische Zelle kann nicht wieder aufgeladen werden.

  Durch Elektrolyse wird beim Aufladen eines Akkus elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt werden.

  Lösung

  Überlege dir zuerst, welche Energieumwandlungen an einer Batterie und an einem Akkumulator stattfinden:
  Du hast im Video gelernt, dass es für den Stromfluss in einer galvanischen Zelle (Batterie) sehr wichtig ist, das negative Sulfat-Ionen von der Kathode zur Anode transportiert werden müssen. Jedoch ist die Anzahl der Sulfat-Ionen begrenzt und der Vorgang kann nicht rückgängig gemacht werden. Deshalb findet hier nur eine Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie statt.

  Werden andere Materialien verwendet, kann eine Umkehrung der Energieumwandlung stattfinden. Das ist beim Akkumulator der Fall: Elektrische Energie kann auch in chemische Energie umgewandelt werden. Diesen Vorgang nennt man Elektrolyse. Der Akku kann also nicht nur entladen, sondern auch wieder aufgeladen werden.

  Die Spannung an einer Batterie oder an einem Akku ist vom Aufbau und von den chemischen Eigenschaften des Materials abhängig.

• Entscheide, welche der nachfolgenden Geräte eine Batterie oder einen Akku benötigen und welche nicht.

  Tipps

  Ein Powerdrink ist kein elektrisches Gerät.

  Wenn eine Taschenlampe nicht funktioniert, dann ist meistens die Batterie leer.

  Der Akku eines Handys sollte nicht ständig komplett geladen sein.

  Lösung

  Schaue dir die angegebenen Begriffe genau an: Prüfe zunächst, ob es sich um elektrische Geräte handelt.
  Alle Geräte, die keine elektrischen Geräte sind, kannst du dem Element keine Batterie zuordnen.

  Das sind:

  • der Powerdrink,
  • der Taschenkompass und
  • der USB-Stick.

  
  Der USB-Stick ist ein Sonderfall: Er ist ein elektrisches Gerät, hat aber keine Batterie und auch keinen Akku. Die USB-Schnittstelle am PC versorgt den Stick mit Energie. Du musst ihn deshalb dem Element keine Batterie zuordnen.

  Elektrische Geräte sind dann in diesem Fall:

  • die Fernbedienung,
  • die Taschenlampe und
  • das Handy.

• Berechne die Spannung einer Voltasäule.

  Tipps

  Die Spannung einer Zelle beträgt $\pu{1,1 V}$.

  Die Spannung aller Zellen muss addiert werden.

  Lösung

  Es werden $14$ Zellen in Reihe geschaltet.
  Werden Batterien in Reihe geschaltet, ergibt sich die Gesamtspannung aus der Summe der Spannungen der einzelnen Zellen. Die Spannung der einzelnen Zelle beträgt $\pu{1,1 V}$:

  $1{,}1~\text{V} \cdot 14 = 15{,}4~\text{V}$

  Die errechnete Gesamtspannung beträgt somit $\pu{15,4 V}$.