Erwartungshorizont Chemie-Klausur Galvanische Elemente 1

Erwartungshorizont Chemie-Klausur
I.
Galvanische Elemente
1) Skizze siehe Buch, mit Beschreibung, Angabe von Anode und Kathode (Plus- und
Minuspol), zu erwartende Spannung 1,5 V.
Reaktionsgleichung:
Zn
→
MnO2 + H2O + e →
Zn2+ + 2 eMnO(OH) + OH-
Nachteile: Der Zinkbecher wird bei Gebrauch teilweise zersetzt, außerdem entsteht
durch Alterung aus Zinkhydroxid Zinkoxid und Wasser, so dass diese Batterie
auslaufen kann. Ein weiterer Nachteil ist die geringe Dauerbelastbarkeit.
2) Entwicklung der Alkaline, durch Änderung des Elektrolyten (KOH statt ZnCl2) nicht
mehr die Gefahr des Auslaufens. Entwicklung der Lithium-Mangan-Batterie: sehr
hohe Zellspannung, lange Lebensdauer, sehr geringe Baugröße.
3)
Zn
→ Zn2+ + 2 eO2 + 2 H2O + 4 e → 4 OHErwartete Spannung: 1,55 V
II.
Brennstoffzelle, Blei-Akku
1) Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt
(Ionenleiter) voneinander getrennt sind.Die Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen
meist aus Metall- oder Kohlenstoffnanoröhren. Sie sind mit einem Katalysator
beschichtet, zum Beispiel mit Platin oder mit Palladium. Als Elektrolyten können
beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren dienen.Die Energie liefert eine Reaktion
von Sauerstoff mit dem Brennstoff, der Wasserstoff sein kann, jedoch ebenso aus
organischen Verbindungen wie z.B. Methan und Methanol bestehen kann. Beide
Reaktionspartner werden über die Elektroden kontinuierlich zugeführt. Die gelieferte
Spannung liegt theoretisch bei 1,23 V für die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer
Temperatur von 25 °C. In der Praxis werden jedoch nur Spannungen von 0,5–1 V
(experimentell auch darüber) erreicht. Die Spannung ist vom Brennstoff, von der
Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Wichtig: Eine BSZ ist keine
Spannungsquelle, sondern nur ein Energiewandler, da die Brennstoffe zugeführt
werden müssen.
2) Sauerstoff wird durch die Glimmspanprobe nachgewiesen, Wasserstoff über die
Knallgasprobe.
3) Blei-Akku
Im Prinzip besteht der Bleiakkumulator aus einer Blei- und einer Bleidioxidelektrode
und verdünnter Schwefelsäure (ca. 30%ig) als Elektrolyt.
An den Elektroden treten folgende Reaktionen ein:
Pb+SO42-⇌PbSO4+2e− E=−0,365V
PbO2+4H++SO42−+2e−⇌PbSO4+2H2O E=1,68V
Pb+PbO2+2H2SO4⇌ 2PbSO4+2H2O E≈2V
Diese Reaktionen laufen beim Laden von rechts nach links ab.
Die Elektroden bestehen zur Begünstigung der heterogenen Reaktionen aus Blei- bzw.
Bleidioxidschwamm mit großer Oberfläche. Das gebildete Bleisulfat ist schwerlöslich;
es setzt sich im Laufe der Entladung auf den Elektroden ab. Die Reaktionsgleichung
zeigt, dass die Konzentration der Schwefelsäure im Verlauf der Entladung abnimmt.
Man kann deshalb den Ladezustand der Batterie durch aräometrische Dichtemessung
(Spindeln) kontrollieren.
4) Vorteile der Brennstoffzelle: umweltfreundlich, Wasserstoff kann aus Wasser
gewonnen werden, Abgas ist Wasser, wenn der Wasserstoff regenerativ gespalten
wird Photovoltaik, Windenergie), ist dieser Energieträger nahezu emmisionsfrei.
Nachteile: sehr teuer, Risiko Wasserstoff.
Vorteile Bleiakku: äußerst robust, aufgrund langer Entwicklung ausgereifte Technik,
sehr hohe Regenerationsphasen, relativ günstig
Nachteile: sehr schwer, Blei und Bleiverbindungen sind giftig, die Schwefelsäure ist
kontaminiert, muss sonderentsorgt werden.
Neuentwicklungen sind der Lithium-Ionen-Akku bzw. der Lithium-Polymer-Akku, die
keinen Memoryeffekt mehr aufweisen, leicht und kompakt gebaut werden können.
III.
Korrosion
1) Feuerverzinken ist das Aufbringen eines metallischen Zinküberzugs auf Eisen oder
Stahl durch Eintauchen in geschmolzenes Zink (bei ca. 450 °C). Dabei bildet sich an
der Berührungsfläche eine widerstandsfähige Legierungsschicht aus Eisen und Zink
und darüber eine sehr fest haftende reine Zinkschicht. Feuerverzinken ist eine von
mehreren Methoden, um zu verzinken.
Galvanisches Verzinken: Die Werkstücke werden nicht in eine Zinkschmelze,
sondern in einen Zinkelektrolyten eingetaucht, dabei wird das zu verzinkende
Werkstück als Kathode in die Lösung gehängt. Als Anode benutzt man eine Elektrode
aus Überzugsmetall oder eine unlösbare Elektrode. Beim galvanischen Verzinken ist
der Zinkverbrauch sparsam, wobei – unabhängig von der Werkstückgeometrie – sehr
gleichmäßige Schutzschichten entstehen (Skizze siehe Heft).
2) Sauerstoffkorrosion
Der Eiseneimer würde korrodieren, da allerdings der entstehende Rost nicht luftdicht
ist, kommt es zum Lochfraß bis hin zu irreparablen Schäden.
Fe
O2 + 2 H2O + 4 eFe2+ + 2 OH4 Fe(OH)2 + O2
→
→
→
→
Fe2+ + 2 e4 OHFe(OH)2
4 FeO(OH) + 2 H2O
3) Verzinkung versus Verchromung
Die Verzinkung ist kostengünstiger und schützt vor allem auch bei Oberflächenschäden
vor Korrosion, da es in einem solchen Fall zu einem kurzgeschlossenen Lokalelement mit
Zink als unedlerem Metall kommt. Das Zink würde so als Opferanode dienen und den
Eimer über längere Zeit vor Korrosion schützen. Im Falle von Chrom würde genau das
Gegenteil passieren, Chrom ist das edlere Metall und somit würde das Eisen die
Opferanode darstellen.
4) Korrosionsschutz bei Pipelines
Eine Möglichkeit für den kathodischen Korrosionsschutz – kurz KKS – kann mittels
Fremdstrom und Fremdstrom-Anoden erreicht werden. Bei Erdöl-Pipelines werden dazu
z. B. in Abständen von einigen Kilometern in einigen hundert Metern Abstand von der
Leitung Elektroden im Boden versenkt, die mit einer Gegenspannung gespeist werden.
Der andere Pol liegt an der Pipeline, so dass dieses Spannungsgefälle genau das
galvanische Element aus Boden und Metallleitung ausgleicht, was sich konkret in der
Größenordnung von wenigen Volt bewegt. Da dies von der chemischen
Zusammensetzung des Bodens abhängt, muss dieser untersucht werden und die
eingespeiste Gegenspannung an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden.