Einrichten von Redoxgleichungen

Ch KS2/ Zop
Elektrochemie
Zitronenbatterie
Problemstellung
Nehmen Sie Stellung zu folgender Aussage:
Die Zitronenbatterie ist DIE Energiequelle des 21. Jahrhunderts: Sie funktioniert
absolut emissionsfrei und ist zu 100% regenerativ, denn sie produziert
Strom aus einem nachwachsenden Rohstoff: Zitronen!
Auftrag
Verwenden Sie als Argumentationsgrundlage die Erkenntnisse aus folgenden
Versuchen:
Material/Chemikalien:
Kartoffel, Zitrone, Eisennägel, Kupfernägel, Phenolphthalein, Spannungsmessgerät,
Elektromotor
Durchführung:
Eisennagel und Kupfernagel in nicht allzu großer Entfernung voneinander in eine
halbe Kartoffel bzw. eine halbe Zitrone stecken.
1. Kartoffel-Batterie
Spannung zwischen den Elektroden messen.
 Beobachtungen, Erklärung durch Elektrodenreaktionen.
2. Kartoffel vs. Zitrone
Mit halber Zitrone, Eisen- und Kupfernagel eine Zitronenbatterie bauen.
Spannung messen.
 Vergleich der Spannungen von Kartoffel und Zitrone, Erklärung
3. Kartoffel/ Zitronen-Kraftwerk
Versuchen Sie, mit einem „KartoffelKraftwerk“ oder einem „Zitronen-Kraftwerk“
einen Elektromotor zum Laufen zu bringen
(ohne Gewähr auf Erfolg…).
Ch KS2/ Zop
Elektrochemie
Lösung
Zitronenbatterie
Steckt man ein Kupferblech und ein Zinkblech in eine Zitrone oder einen Apfel,
erhält man eine galvanische Zelle. Die saure Lösung in der Zitrone wirkt als
Elektrolyt.
Der Lösungsdruck an der Zinkelektrode ist größer als an der Kupferelektrode, da Zink
ein unedleres Metall ist. Das Zink wird eher oxidiert als das Kupfer, es entstehen am
Zink Elektronen, die zum Kupferblech fließen. Die Zinkelektrode als Ort der
Oxidation funktioniert als Anode und ist bei dieser Batterie der Minuspol. Enthält
das Kupferblech noch Kupferoxid auf der Oberfläche, werden zunächst die
Kupferionen aus dem Kupferoxid reduziert. Diese Reaktion an der Kathode ist aber
nur eine unbedeutende Nebenreaktion:
Oxidation (Anode)
Reduktion (Kathode)
Zn
Zn2+ + 2eCu2+ + 2e Cu
Sind die Kupferionen aus dem Kupferoxid aufgebraucht, werden bei der
Zitronenbatterie am Kupferblech, das als Kathode funktioniert, Oxoniumionen aus
dem Zitronensaft reduziert.
Oxidation (Anode)
Reduktion (Kathode)
verkürzt:
Zn
Zn2+ + 2e 2 H3O+ + 2e 2 H2O + H2
+
2H
+ 2e
H2
In der Zitronenbatterie ist außerdem noch eine weitere Reaktion möglich. Die
Reduktion von Sauerstoff an der Kathode. Sie erzeugt die größte Spannung.
Oxidation (Anode)
Reduktion (Kathode)
verkürzt:
2 Zn
2 Zn2+ + 4e O2 + 4 H3O+ + 4e 6 H2O
+
O2 + 4 H
+ 4e
2 H2O
In der Kartoffelbatterie ist nur die Reaktion im neutralen Bereich mit geringerem
Standardpotential möglich, da keine Säure in der Kartoffel vorliegt. Die Spannung ist
deshalb geringer als in der Zitronenbatterie.
Oxidation (Anode)
Reduktion (Kathode)
2 Zn
2 Zn2+ + 4e O2 + 2 H2O + 4e 4 OH-
Ch KS2/ Zop
Elektrochemie
Weitergehende Information:
Der gleiche Prozess wie an der Kupferelektrode läuft auch an der Zinkelektrode ab.
Daher arbeitet die Zitronenbatterie nicht sonderlich effektiv, denn nur ein Teil der
Elektronen, die bei der Zinkelektrode durch das Auflösen des Zinks freigesetzt
werden, fließt zum Pluspol. Ein anderer Teil dieser Elektronen reagiert mit den
Oxoniumionen der Lösung zu Wasser und Wasserstoff.