Galvanische Zellen II
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Galvanische Zellen II CHEM 1. Was versteht man unter einer Oxidation? Unter einer Oxidation versteht man Elektronenabgabe. Diese findet an der Anode der galvanischen Zelle statt. Bei der Oxidation wird die Oxidationszahl des jeweiligen Stoffes erhöht. 2. Was versteht man unter einer Reduktion? Unter einer Reduktion versteht man Elektronenaufnahme. Diese findet an der Kathode der galvanischen Zelle statt. Bei der Reduktion wird die Oxidationszahl verringert. 3. Was versteht man folglich unter einer Redoxreaktion? Unter einer Redoxreaktion versteht man eine Elektronenübertragungsreaktion, bei der sowohl oxidiert, wie auch reduziert wird. 4. Batterietypen a) Brennstoffzelle Entladung Oxidation: 2π» 2 + 4π» 2 0 → π» 3 π + + 4π− Reduktion: π 2 + 4π» 3 π + + 4π− → 6π» 2 0 πΈππ‘ππππ’ππ → Redoxreaktion: : 2π» 2 + π 2 2 π»2π ← π΄π’πππππ’ππ Vorteile: - Leicht - Effizient - Zuverlässig - Leise - Gute Luftqualität Nachteile: - Hohe Kosten Geringe Reichweite bei Autos mit Brennstoffzellenmotor Anwendungsgebiet: - Raumfahrt Autos Stationärer Betrieb Häufig mit Photovoltaik-Zellen gekoppelt © Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 1 Galvanische Zellen II CHEM b) Zink-Luft-Batterie Entladung Oxidation: ππ → ππ2+ + 2π− Reduktion: : π 2 + 2 π» 2 π + 4π− → 4ππ» − Redoxreaktion: ππ + π 2 + 2 π» 2 π πΈππ‘ππππ’ππ 2 Zn(OH)2 → Vorteile: - Preiswert - Umweltfreundlich - Geringe Selbstentladung - Gute Lagerbarkeit Nachteile: Anwendungsgebiet: - Hörgeräte Taschenrechner Digitaluhren Weidezäune Baustellenbeleuchtungen c) Alkali-Mangan-Batterie Entladung Oxidation: ππ → ππ2+ + 2π− Reduktion: 2π ππ 2 + 2π» + + 2π− → 2π ππππ» Redoxreaktion: : ππ + 2π ππ 2 + 2π» + πΈππ‘ππππ’ππ ππ2+ + 2π ππππ» → Vorteile: - Spannungsrehabilisierung nach gewisser Ruhephase Nachteile: - großer Spannungsabfall innerhalb von kurzer Zeit Es kann zur Tiefenentladung kommen Anwendungsgebiete: - MP3-Player Digitalkameras Fernbedienung Taschenrechner © Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 2 Galvanische Zellen II CHEM 5. Was versteht man unter einem Akkumulator? Ein Akkumulator ist ein elektrochemisches System, welches das Prinzip der galvanischen Zelle zur Energiegewinnung und das der Elektrolyse zum Wiederaufladen verwendet. Die chemische Reaktionen sind also reversibel. 6. Welche Vorgänge spielen sich beim Ladevorgang, welche beim Entladevorgang des BleiAkkumulators ab? Im geladenen Zustand besteht der positive Pol aus Blei(IV) Oxid PbO2 und der negative Pol aus Blei Pb. Als Elektrolyt-Lösung wird eine 20-40%ige, Schwefelsäure (H2SO4) verwendet. Bei der Entladung läuft folgende Reaktion ab: Pluspol: πππ 2 + ππ42− + 4π» 3 π + + 2π− → ππππ4 + 6π» 2 π Minuspol: ππ + ππ42− → ππππ4 + 2π− Gesamtreaktion: ππ + πππ 2 + 2π» 2 ππ4 → 2ππππ4 + 2π» 2 π Es sei zu beachten, dass im entladenen Zustand beide Pole aus PbSO4 bestehen. Bei der Aufladung sind die obigen Gleichungen umzudrehen: Gesamtreaktion: 2ππππ4 + 2π» 2 π → ππ + πππ 2 + 2π» 2 ππ4 Dabei sei zu beachten, dass man beim Aufladen eine Spannung anlegen muss, entgegengesetzt der Stromflussrichtung bei der galvanischen Zelle. 7. Welches sind wichtige Vorteile, welches wichtige Nachteile des Blei-Akkumulators? Vorteile - Billig - Hohe Reaktionsenthalpie - Problemlos Recyclebar - Leicht regelbar - (mehr oder weniger) portabel - Hohe Nennspannung - Nachteile - Volumenvergrößerung beim Entladen (Entstehung von Bleisulfat) - Auf Grund des Bleis relativ schwer - Geringe Ladungsdichte im Vergleich auf das Gewicht - Nicht tiefentladungssicher Es sei zu beachten, das während des Ladevorgangs das Equilibrium (Löslichkeitsgleichgewicht) zwischen Blei (II)-Ionen und festen Bleisulfat annähernd konstant bleibt. Gegen Ende der Aufladung nimmt die Blei(II)-Ionen-Konzentration schlagartig ab und Wasserstoff und Sauerstoff entstehen ο Knallgas. Kommt es dabei zu einer Erhitzung des Akkus oder zu einer statischen Aufladung des Gehäuses, so kann dieser explodieren. Man spricht bei diesem Vorgang von einer Gasung des Akkus. © Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 3 Galvanische Zellen II CHEM 8. Was versteht man unter einer Elektrolyse? Unter der Elektrolyse versteht man das Aufspalten einer chemischen Verbindung mit Hilfe von elektrischen Strom in ihre Elemente. Die Spannung, die dabei angelegt werden muss ergibt sich aus dem Redoxpotential der aus den Ausgangsstoffen resultierenden galvanischen Zelle sowie aus einem Überpotential, welches benötigt wird, um die Elektrolyse zu starten. Bei der Elektrolyse entsteht auch gleichzeitig ein galvanisches Element, das der Elektrolyse entgegenstrebt: Dieses versteht man auch als Polarisationsspannung. Um eine Elektrolyse durchführen zu können, so wird an den – Pol (Anode) der galvanischen Zelle der Pluspol angelegt und an den + Pol (Kathode) der galvanischen Zelle der Minuspol angelegt. Die Anode wird somit in der Elektrolyse zur Kathode und die Kathode zur Anode. Das OxidationsReduktionsverständnis ändert sich jedoch nicht. An der Kathode wird nach wie vor reduziert und an der Anode oxidiert. 11. Was versteht man unter einer Nennspannung? Normalerweise wird die Spannung einer Zelle mit Hilfe der jeweiligen Redoxpotentiale errechnet. Die Nennspannung ist ein der Spannung angenäherter Wert zur Identifizierung oder Bezeichnung einer elektrochemischen Zelle. Die Nennspannung ergibt sich aus dem Produkt der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen und der Nennspannung der Zelle. 12. Was versteht man unter einem Memory Effekt? Unter dem Memory-Effekt wird der Kapazitätsverlust einer Batterie bezeichnet, tritt besonders häufig bei Nickel-Cadmium-Akkus auf. Dies äußert sich in einem frühen Spannungsabfall. Der Akku scheint sich zu merken (deshalb memory) wie viel Leistung ihm abverlangt wird, bis er wieder geladen wird. Dieser Effekt beruht auf zwei Vorgängen: 1. Kristallisationsprozess: a. Beim Aufladen eines Ni-Cd Akkus bilden sich Mikro-Cadmium-Kristalle. Wird der Akku nur halb entladen, so fördert dies die Bildung von größeren Kristallen. Da diese eine kleinere Oberfläche haben, als die Mikrokristalle reagieren diese beim Entladen weniger. 2. Umkristallisation: a. Alte Ladungsgeräte ignorieren die Kristallisationsvorgänge und laden einen bestimmten Zeitraum und können somit einen nur halb entladenen Akku überladen. Dabei kommt es dann zu einer Umkristallisation an der Cadmium-Elektrode. Dieses hat eine geringere Ausgangsspannung zur Folge Allgemein lässt sich anmerken, dass der Memory Effekt durch vollständiges Entladen (dauert bei großen Kristallen länger) und anschließendes genaues Aufladen mit Hilfe eines modernen Ladegerätes auflösen lässt. © Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 4 Galvanische Zellen II CHEM 13.Tiefenentladung - Vollentladung eines Akkumulators mit geringer Stromstärke Die Spannung sinkt dabei unter die die Normalspannung Die Elektroden werden soweit abgebaut, dass eine Wiederaufladung nicht erfolgen kann. Eine einzige Tiefenentladung kann einen Akkumulator zerstören 14. Was ist das Prinzip der Kupferradierung? Die Kupferradierung wird verwendet um z.B. s.g. Kupferstiche zu erhalten, mit dessen Hilfe man ein Buch drucken kann. Der Autor nimmt eine Kupferplatte und bedampft diese mit Wachs. In den erhärteten Wachs wird anschließend das Bild, welches später erstellt werden soll seitenverkehrt eingeritzt. Dann wird diese in eine Eisen – III – Chlorid-Lösung gestellt und nach wenigen Minuten wieder herausgenommen. Nach Eintauchen in ein heißes Wasserbad löst dich die Wachsschicht ab und die Kupferplatte kann mit Druckerschwärze zum Bedrucken einer Papierseite verwendet werden. Dabei laufen folgende Reaktionen ab: Reduktion: πΉπ3+ + π− → πΉπ2+ Oxidation: πΆπ’ → πΆπ’2+ + 2π− Gesamt: 2πΉπ3+ + πΆπ’ → 2πΉπ2+ + πΆπ’2+ Dieses Prinzip funktioniert auch NUR bei der Verwendung von Fe3+-Ionen, da diese ein höheres Redoxpotential besitzen, als Kupfer. Fe3+ /Fe: 0,77V Cu2+/Cu: 0,35V 15. Was ist das Prinzip der Platinenherstellung? Auch die Platinenherstellung beruht auf dem selben Prinzip. Hierfür wird ein Halbleiter mit Kupfer bedampft, auf den ein UV-Licht Fotolack aufgetragen wird. Mit Hilfe eines PCs wird vorher das Schaltbild auf eine Folie gedruckt. Mit Hilfe von UV-Licht wird nun dieses Leiterbild auf die Platine projiziert. Dadurch wird der Fotolack an den Stellen, wo später der Leier sein soll, erhärtet. Auch diese Platine wird wieder in eine Eisen(III)-Chlorid-Lösung getaucht, wodurch das Kupfer unter dem nicht erhärteten Fotolack ionisiert und somit abgelöst wird. Nach diesem Vorgang wird der erhärtete Fotolack noch mit Hilfe eines Lösungsmittels entfernt. Die Reaktionsgleichungen sind analog zu den obrigen zu beachten. © Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 5 Galvanische Zellen II CHEM 16. Untersuchung einer unbekannten galvanischen Zelle - Welches Redoxpotential, Spannung haben die Halbzellen Kann man die Entladung durch Elektrolyse rückgängig machen Wenn nein, welche Gase entweichen Reversibilität nur bei Vorhandensein eines Elektrodenrestes Kann man das Material der Elektroden bestimmen 17. Die drei untersuchten Akkumulatoren: Nickel-Cadmium-Akkumulator Entladung: Oxidation: πΆπ + 2π π» − → πΆπ(ππ» )2 + 2π− Reduktion: 2π ππ ππ» + 2π» 2 π + 2π− → 2π π(ππ» )2 + 2ππ» − Redoxreaktion: 2π ππ ππ» πΈππ‘ππππ’ππ → + 2π» 2 π + πΆπ πΆπ(ππ» )2 + 2π π(ππ» )2 + 2ππ» − ← π΄π’πππππ’ππ Vorteile - Besonders belastbar und betriebssicher - Können hohe Ströme aufgrund des geringen Innenwiderstandes liefern Nachteile - Nickel gilt als allergieauslösend - Cadmium ist giftig und in der EU verboten - Großer Memory Effekt - Kann bei Überhitzung / Überladung gasen Anwendungsgebiete: - Modellbau, Mobiltelefone, Camcorder, USV Reaktionsgleichung bei der Gasung: Bei der Überladung eines NiCd-Akkus kommt es zur Zersetzungsspannung, bei der die Anzihungskräft zwischen den Elektronen und der Anionen und Kationen im Elektrolyten so groß wird, dass es zur Zersetzung des Elektrolyten kommt. Negative Elektrode: 4π» 2 π + 4π− → 2π» 2 + 4ππ» − Positive Elektrode: 4ππ» − → 2π» 2 π + π 2 + 4π− Gesamtreaktion: 2π» 2 π → 2π» 2 + π 2 © Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 6 Galvanische Zellen II CHEM Nickel-Metallhydrid-Akkumulator Entladung: Oxidation: 2π π − π» + 2ππ» − → 2π π + 2π» 2 π + 2π− Reduktion: 2π ππππ» + 2π» 2 π + 2π− → 2π π(ππ» )2 + 2ππ» − πΈππ‘ππππ’ππ → Redoxreaktion: 2π π − π» + 2π ππππ» 2π π + 2π π(ππ» )2 ← π΄π’πππππ’ππ Vorteile - Lange Lebensdauer - Schnelladefähig - Hohe Belastbarkeit - Umweltfreundlich Nachteile - Nickel gilt als allergieauslösend - Großer Memory-Effekt - Hohe Selbstentladung (z.B. durch Nebenreaktionen in den Elektroden; Kurzschlüsse in den Batterien) Anwendungsgebiete: - Hybrid-Autos, Spielzeuge, Kameras, USV Lithium-Ionen-Akkumulator Entladung: Oxidation: πΊππππππ‘2− ∗2πΏπ+ → πΊππππππ‘+ 2πΏπ+ + 2π− Reduktion: π ππ 2 + 2πΏπ+ + 2π− → Li2 π ππ 2 Redoxreaktion: πΊππππππ‘2− Vorteile - Hohhe Leistungsdichte - Sehr hohe Spannung - Keine giftigen Bestandteile πΈππ‘ππππ’ππ → ∗2πΏπ+ + π ππ 2 Graphit + Li2 π ππ 2 ← π΄π’πππππ’ππ Nachteile - Hohe Wärmeentwicklung - Teuer (Lithium, hermetische Abkapslung) - Hohe Selbstentladung (s.o.) - Schlechte Leistung bei niedriger Temperatur (Elektrolyt wird starrer) Anwendungsgebiete: - Handys, Camcorders, Digitalkameras, Laptops © Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 7
