Stationenlernen Batterien und Akkumulatoren - chik.die

Unterrichtsreihe
Wenn der Strom nicht aus der Steckdose kommt...
mobile Energiespeicher
Stationenlernen
Batterien und Akkumulatoren
Materialien der Arbeitskreises „Chemie im Kontext“ im Kölner Modell
Version Juni 2010
www.chik.die-sinis.de
www.chik.de
www.koelnermodell.de
2
Material erarbeitet von
Martin Sina (Ville-Gymnasium, Erfstadt / Studienseminar Vettweiß)
unter Mitarbeit von
Manuela Raida (Lise-Meitner-Gymnasium, Leverkusen)
Martin Stettler (Referendar Studienseminar Vettweiß)
Linda Paas (Schülerin Gymnasium Am Turmhof, Mechernich)
Michael Weinert (Schüler Gymnasium Am Turmhof, Mechernich)
Inhaltsverzeichnis
1
2
3
4
5
6
7
Die Voltasche Säule – eine der bedeutendsten technischen Erfindungen aller Zeiten .............. 3
1.1
Aufgabenstellung....................................................................................................... 3
1.2
Versuchsanleitung ..................................................................................................... 3
1.3
Material .................................................................................................................... 4
Das Leclanché-Element – die erste Trockenbatterie............................................................. 6
2.1
Aufgabenstellung....................................................................................................... 6
2.2
Versuchsanleitung ..................................................................................................... 6
2.3
Material .................................................................................................................... 7
Die alkalische Zink-Kohle-Batterie: mehr Leistung und Sicherheit! ........................................ 9
3.1
Aufgabenstellung....................................................................................................... 9
3.2
Versuchsanleitung ..................................................................................................... 9
3.3
Material .................................................................................................................. 10
Strom im Auto: der Blei-Akkumulator ............................................................................... 12
4.1
Aufgabenstellung..................................................................................................... 12
4.2
Versuchsanleitung ................................................................................................... 12
4.3
Material .................................................................................................................. 13
Potentiale etc................................................................................................................. 15
Der Nickel/Cadmium-Akkumulator ................................................................................... 16
5.1
Aufgabenstellung..................................................................................................... 16
5.2
Versuchsanleitung ................................................................................................... 16
5.3
Material .................................................................................................................. 17
Der Nickel/Metallhydrid – Akkumulator............................................................................. 20
6.1
Aufgabenstellung..................................................................................................... 20
6.2
Versuchsanleitung ................................................................................................... 20
6.3
Material .................................................................................................................. 21
Hinweise für die Lehrkraft ............................................................................................... 23
7.1
Methodisch-didaktische Überlegungen ....................................................................... 23
7.2
Lösungen zu den Stationen ...................................................................................... 24
7.3
Gefährdungsbeurteilung nach dem Schutzstufenmodell............................................... 28
7.3.1
Gefährdungsbeurteilung Volta-Element ............................................................... 28
7.3.2
Gefährdungsbeurteilung Leclanché-Element ........................................................ 29
7.3.3
Gefährdungsbeurteilung Alkali-Mangan-Zelle ....................................................... 30
7.3.4
Gefährdungsbeurteilung Autobatterie (Blei-Akkumulator) ..................................... 31
7.3.5
Gefährdungsbeurteilung Nickel-Cadmium-Akku (NiCd) ......................................... 32
7.3.6
Gefährdungsbeurteilung Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (NiMH) ......................... 33
3
1 Die Voltasche Säule – eine der bedeutendsten technischen
Erfindungen aller Zeiten
1.1 Aufgabenstellung
A 1.1 Führen Sie den Versuch sorgfältig durch! Protokollieren Sie Ihre Beobachtungen und deuten Sie diese.
A 1.2 Stellen Sie alle ablaufenden Reaktionen mit den entsprechenden Potentialen zusammen,
berechnen Sie die theoretische Spannung und vergleichen Sie mit der gemessenen!
A 1.3 Vergleichen Sie den durchgeführten Versuch mit dem historischen!
A 1.4 Berechnen Sie die historisch verwendeten Redoxpaare. Entwickeln Sie eine Versuchsanordnung, wie z.B. Natrium mit Hilfe der Voltaschen Säule dargestellt werden konnte!
1.2 Versuchsanleitung
Geräte
Filterpapier
Bierdeckel
Messgerät, Kabel, Klemme
Chemikalien
Aluminiumfolie
5-Cent-Stücke
Haushaltsessig, 5%
(c(HAc) ca. 1 mol/L)
Durchführung
1. Aus der Aluminiumfolie und dem Filterpapier werden so viele Kreise wie
Münzen vorhanden sind, ausgeschnitten, die etwas größer sind als die 5Cent-Stücke. Aus dem Bierfilz werden zwei schmale Streifen geschnitten.
2. Nun wird gestapelt: ein Bierdeckel-Kreis, dann immer Münze / Filterpapier / Alufolie usw., als Abschluss wieder ein Bierdeckel. Der ganze Stapel wird in einer Klemme fixiert und etwas zusammengepresst.
3. Die gesamte Säule wird mit Essig übergossen, so dass die Filterpapiere
alle getränkt sind.
4. Zwischen der Münze am einen Ende der Säule und der Aluminiumfolie
am anderen Ende wird die Spannung gemessen.
5. Vergleichen Sie die Münzen zu Beginn und zu Ende des Versuchs!
weitere Sicherheitshinweise
Entsorgung
Hausmüll
R: R: R: -
S: S: S: -
4
1.3 Material
Die Voltasche Säule oder auch Voltasäule ist eine von Alessandro Volta 1799/1800 entwickelte Anordnung, die als Vorläuferin heutiger Batterien im 19. Jahrhundert eine große
Bedeutung als Stromquelle hatte. Sie besteht aus vielen
übereinander geschichteten Kupfer- und Zinkplättchen, zwischen denen sich in bestimmter regelmäßiger Folge elektrolytgetränkte Papp- oder Lederstücke befinden. Statt Kupfer
wurde auch Silber, statt Zink auch Zinn verwendet.
Abbildung 1: schematische Darstellung Volta-Säule
Ein einzelnes Element der Voltaschen Säule
wird Voltaelement genannt. Es besteht beispielsweise aus einer Kupferfolie, einer Elektrolytschicht und einer Zinkfolie. Es liefert nur
eine geringe Spannung, weshalb in der Säule
viele solcher Elemente übereinander gestapelt
sind. Dabei ergibt sich die Stapelfolge Kupfer Elektrolyt - Zink - Kupfer - Elektrolyt - Zink,
d.h. Kupfer und Zink wechseln sich ab und der
Elektrolyt befindet sich in diesem Beispiel immer zwischen Kupfer und Zink, aber nicht
zwischen Zink und Kupfer.
Die Voltasche Säule kann als eine der bedeutendsten Erfindungen aller Zeiten eingestuft
werden, da sie als erste brauchbare kontinuierliche Stromquelle die Erforschung der Elektrizität ermöglichte – lange vor der Erfindung
des elektrischen Generators. Damit hat die
Voltasche Säule sowohl der Elektrotechnik als
auch der Elektronik und vielen weiteren technischen Bereichen, beispielsweise der Galvanik, den Weg bereitet. Ganz besonders wurden intensive Forschungen hinsichtlich der
therapeutischen Anwendung des Gleichstromes (galvanischer Strom, Galvanotherapie)
unmittelbar nach Bekanntmachung der Galvani-Voltaschen Säule von zahlreichen Ärzten
durchgeführt, wie z.B. John Wesley, England,
Bischoff, C.H.E., Jena-1801 (De Usu
Galvanisimi in Arte Medica), Grapengiesser,
Martens, Berlin-1803, Golding Bird, London1840, Duchenne, Paris-1855 oder Remak,
Berlin-1858. Die Voltasche Säule war die erste
bedeutende
Abbildung 2: Volta-Säule, historischer Aufbau
5
Batterie und ermöglichte die Entdeckung der Elektrolyse und damit die erstmalige Herstellung vieler unedler Elemente, insbesondere der Metalle Natrium, Kalium, Barium, Strontium, Calcium und
Magnesium durch Humphry Davy in den Jahren 1807 und 1808. Auch die ersten Versuche zur
Nachrichtenübermittlung durch die elektrische Telegrafie wurden erst durch die Erfindung Voltas
möglich.
Quellen
Abb. 1: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:VoltascheSaeule_Schema.png (18.04.2009)
Abb. 2: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Pila_di_Volta_01.jpg (18.04.2009)
Text: http://de.wikipedia.org/wiki/Voltasche_Säule (18.04.2009)
6
2 Das Leclanché-Element – die erste Trockenbatterie
2.1 Aufgabenstellung
A 2.1 Führen Sie den Versuch sorgfältig durch!
A 2.2 Deuten Sie ausführlich die Beobachtungen (Reaktionsschemata, gemessene Spannungen,
Verhalten während des Entladeprozesses)
A 2.3 Erläutern Sie, aus welchem Grund eine „Trockenbatterie― „auslaufen― kann!
2.2 Versuchsanleitung
Geräte
Stativ mit Klemme und Muffe
2 kleine Bechergläser
Reagenzglasklammer
Elektromotor, Messgerät, Kabel, Krokodilklemmen
Bierdeckel
Chemikalien
Ammoniumchlorid
Mangandioxid
Zinkblech-Elektrode
Kohle-Plattenelektrode
Stärke
Durchführung
weitere Sicherheitshinweise
Entsorgung
Xn
R:
R: 20/22
R: R: -
S:
S: (2)-25
S: S: -
1. Die Elektroden werden blank geschmirgelt, aus dem Bierdeckel wird eine
Platte geschnitten, die etwas kürzer ist als die Elektroden.
2. Es wird eine Mischung aus Mangandioxid, Wasser und Stärke angerührt,
so dass eine zähe Paste entsteht, im zweiten Becherglas wird eine gesättigte Ammoniumchloridlösung hergestellt.
3. Die Kohleelektrode wird mit der Mischung bestrichen, darauf wird die
Bierdeckel-Pappe gelegt. Diese wird mit Ammoniumchlorid-Lösung getränkt. Hierauf wird die Zink-Plattenelektrode gelegt, so dass sich an beiden Elektroden jeweils eine Krokodilklemme befestigen lässt.
4. Die Batterie wird mit der RG-Klammer zusammengehalten, die RGKlammer kann in einem Stativ eingespannt werden. (Die RG-Klammer
fungiert als Halter, da bei zu großem Druck die Gefahr besteht, dass die
Kohleplatte bricht.)
5. Die Spannung wird gemessen, es kann eine Entladekurve aufgenommen
werden, hierzu wird parallel ein kleiner Elektromotor oder ein Widerstand
geschaltet.
abgekratzte Paste und Bierfilz: Feststoffabfall
7
2.3 Material
M 2.1 Aufbau
M 2.2 Funktion und Aufbau eines Leclanché-Elements
Beim Leclanché-Element1 besteht die positive aktive Masse aus Mangandioxid MnO2, die negative
Masse ist metallisches Zink, als Elektrolyt wird eine (neutrale) Ammoniumchlorid-Lösung verwendet. Die Vorgänge an den Elektroden und im Elektrolyten sind:
Anode:
Zn  Zn2+ + 2 e-
Kathode:
2 MnO2 + 2 H2O + 2 e-  2 MnOOH + 2 OH-
Elektrolyt:
Zn2+ + 2 NH4Cl + 2 OH-  Zn(NH3)2Cl2 + 2 H2O
Bei Stromentnahme wird also Mangandioxid zu MnOOH reduziert (Mn4+  Mn3+ ), und die primär
gebildeten Zink-Ionen reagieren mit dem Elektrolyten zu inaktivem Zn(NH3)2Cl2. Die BruttoZellreaktion ist danach wie folgt:
2 MnO2 + Zn + 2 NH4Cl  2 MnOOH + Zn(NH3)2Cl2
Das thermodynamische Standardpotential der Zinkelektrode liegt bei -0,76 V, dasjenige der Mangandioxidelektrode bei ca. +1.1 V. Die Ruhepotentiale unter Betriebsbedingungen ändern sich
gegenüber diesen Werten nach Maßgabe der herrschenden Zn2+ -Aktivität (durch die Reaktion
im Elektrolyten gesteuert) bzw. der OH —Aktivität. Die theoretische Ermittlung der genauen Potentiale konnte bisher nicht befriedigend durchgeführt werden. Beide Potentiale sind im gleichen Sinne
und Betrage pH-abhängig (am einfachsten daran zu erkennen, dass in der Zellreaktion HydroxidIonen nicht auftreten). Die praktischen Ruheklemmenspannungen liegen zwischen 1.5 und 1.6 Volt
und sind u. a. auch von der Herkunft des verwendeten Mangandioxids abhängig (z. B. natürliches
oder elektrolytisch hergestelltes MnO2). Besonders bemerkt sei, dass sich bei Tiefentladungen
die Zellreaktion sowie die gebildeten Produkte ändern:
1
1865 von Leclanché erstmalig beschrieben.
8
2 MnO2 + Zn + 2 NH4Cl + H2O  2 MnOOH + NH3 + Zn(OH)Cl
Die Zinkelektrode ist einer der Fälle, in denen die elektrochemische Reaktion an der Oberfläche eines
kompakten Metalls ausreichend schnell ist. Demgegenüber muss für die Mangandioxidelektrode auf
eine poröse Mangandioxidmasse zurückgegriffen werden, die zur Erzielung ausreichender Leitfähigkeit mit Kohlenstoff (Graphit, heute meist Acetylenruß) durchsetzt ist.
Im Falle des bekannten Trockenelements wird die Mangandioxid-Kohlenstoff-Masse zylindrisch ausgeformt, ein zentraler Kohlestift übernimmt die Stromabnahme. Diese sog. Puppe wird in einen Becher aus Reinzink eingesetzt. Die zwischen den Elektroden befindliche Ammoniumchlorid-Lösung ist
zur Herstellung eines kippsicheren „Trockenelements― mit Quellmitteln (Mehl, Stärke, Methylcellulose) angedickt. Um zu verhindern, dass Elektrolyt austritt, werden die Zellen oftmals noch mit einem
äußeren Stahlmantel versehen („auslaufsichere Zellen―)2.
Elektrolyt und Selbstentladung
Aktive Massen können auch dann in den entladenen Zustand übergehen, wenn dem galvanischen Element kein Strom entnommen wird: durch chemische Reaktion oder durch die
Ausbildung einer Mischelektrode (elektrochemische Korrosion). In galvanischen Elementen
verwendete aktive Massen müssen daher chemisch stabil sein und gegenüber möglichen
elektrochemischen Korrosionsreaktionen eine ausreichend hohe Überspannung aufweisen.
Als Beispiel seien die Verhältnisse an der Zinkelektrode des Leclanché-Elements betrachtet.
Das Ruhepotential dieser Elektrode liegt unter -0,8 V, das Wasserstoffpotential in der
benutzten neutralen Lösung beträgt nur -0,4 V. Die Wasserstoffüberspannung an Zink
reicht nicht ganz aus, um eine (stromlose) Metallauflösung nach Zn  Zn2++2 e - ; 2 H 2 0 +
2 e -  H2 + 2 OH - zu verhindern (Selbstentladung). Der Zinkbecher muss daher durch den
Zusatz von Inhibitoren zur Elektrolytpaste geschützt werden 3. Die Gasentwicklung ist dann
sehr viel geringer, und die Lagerfähigkeit des Elements kann mehr als 3 Jahre betragen.
Quellen
M 2.1 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/7/78/Zink-Braunstein-Zelle.png
M 2.2 Hamann, Carl H., Wolf Vielstich, Elektrochemie. (Weinheim 3. Auflage 1998 (Wiley-VCH))
436-438.
2
Flüssigkeit kann durch gebildeten Wasserstoff (s. Folgeabschn.) und durch beim Entladevorgang aus Mangandioxid freigesetztes Kristallwasser aus der Zelle herausgedrückt werden. Eine Variante enthält daher als Elektrolyt
(anstelle von Ammoniumchlorid oder als Zusatz) Zinkchlorid. Die dann in der Lösungsphase ablaufende Reaktion ist wasserbindend (4 Zn2+ + ZnCl2 + 8 OH- + H2O  ZnCl2 4 ZnO 5 H2O).
3
Bis vor etwa 10 Jahren wurde der Zinkbecher zwecks Inhibition der stromlosen Auflösung innen amalgamiert (Ausnutzung der hohen Wasserstoffüberspannung am Quecksilber).
9
3 Die alkalische Zink-Kohle-Batterie: mehr Leistung und Sicherheit!
3.1 Aufgabenstellung
A 3.1 Führen Sie den Versuch sorgfältig durch!
A 3.2 Vergleichen Sie diese Zelle mit dem Leclanché-Element: in wie weit werden die Unterschiede der technischen Zellen in den Versuchen umgesetzt?
A 3.3 Zeigen Sie mathematisch, dass die Potentialdifferenzen der Alkali-Mangan-Zelle und des
Leclanché-Elements trotz der pH-Abhängigkeit der Elektrodenpotentiale identisch sind!
3.2 Versuchsanleitung
Geräte
Stativ mit Klemme und Muffe
kleines Becherglas
Papierhandtuch (4-lagig, Laborbedarf)
Pasteurpipette
Reagenzglasklammer
Elektromotor, Messgerät, Kabel, Krokodilklemmen
Chemikalien
Kalilauge c= 1 mol·L-1
Mangandioxid
Zinkblech-Elektrode
Eisenblech-Elektrode
Durchführung
1. Die Elektroden werden blank geschmirgelt
2. Es wird eine Mischung aus 1 mL Kalilauge und 1,5 g Braunstein angerührt
3. Die Eisenelektrode wird dünn mit der Mischung bestrichen, darauf wird
eine Lage des vierlagigen Papiers gelegt, dieses wird mit Kalilauge gut
befeuchtet, hierauf wird die Zinkelektrode gelegt. Es ist sinnvoll, die beiden Elektroden im 90°-Winkel aufeinanderzulegen, da sich dann problemlos die Spannung messen lässt.
4. Die Batterie wird mit der RG-Klammer zusammengehalten und dann in
eine Stativklemme fest eingespannt (die RG-Klammer fungiert vor allem
als Isolator)
5. Die Spannung wird gemessen, es kann eine Entladekurve aufgenommen
werden, hierzu wird parallel ein kleiner Elektromotor oder ein Widerstand
geschaltet.
weitere Sicherheitshinweise
Entsorgung
Feststoffabfall
C
Xn
R:
R:
R:
R:
22-35
20/22
-
S:
S:
S:
S:
(1/2)-26-36/37/39-45
(2)-25
-
10
3.3 Material
M 3.1 Aufbau
M 3.2 Die Alkali-Mangan-Zelle
Die Alkali-Mangan-Primärbatterie ist eine Weiterentwicklung des Leclanché-Systems. Wie dort werden Zink und Mangandioxid als aktive Massen eingesetzt. Die Unterschiede sind:
- Als Elektrolyt wird Kalilauge verwendet. Die Reaktion des Mangandioxid erfolgt dann in zwei
Stufen bis zum Mangan(II)-hydroxid Mn(OH)2
2 MnO2 + 2 H2O + 2 e-  2 MnOOH + 2 OHMnOOH + H2O + e-  Mn(OH)2 + OH-
Man verwendet nicht Zinkblech, sondern mit Lauge getränkte Zinkflitter als negative Elektrode (Masseelektrode).
Die Elektrodenanordnung wird gegenüber der Leclanché-Zelle umgekehrt zur sog. insideout-Anordnung.
Insgesamt werden die Batterieeigenschaften dadurch gegenüber dem Leclanché-Element bei
gleichbleibender Ruheklemmenspannung um bis zu 50% verbessert.
Die Mangandioxid-Elektrode ist vom Prinzip her eine Sekundärelektrode, die zweite Entladestufe ist
allerdings nur schlecht umkehrbar. Ersetzt man in einer marktgängigen inside-out-Zelle den Sepa-
11
rator durch ein gegenüber Dendritenwachstum4 unempfindliches Material und entlädt nur die 1.
Stufe, so kann die Zelle bis zu 50mal wiederaufgeladen werden. Zukünftige Anwendungen eines
Mangandioxid-Zink-Akkumulators sind denkbar, da Zink und Mangandioxid als Rohstoffe billig und
praktisch unbegrenzt verfügbar sind.
Alkalische Zink-Mangandioxid-Batterien werden zur Erzielung höherer Elektrodenoberflächen und
damit Strombelastbarkeiten auch in Form eines sog. Elektrodenwickels ausgeführt (Zink- und Mangandioxid-Elektrode werden in Folienform hergestellt und unter Zwischenfügen eines
laugegetränkten Separators umeinander aufgewickelt).
Quellen
M 3.1 http://www.wissen.de/wde/generator/substanzen/bilder/sigmalink/b/ba/bat_/
batterie_alkali_mangan_zelle_1817999,property=zoom.jpg
M 3.2 Hamann, Carl H., Wolf Vielstich, Elektrochemie. (Weinheim 3. Auflage 1998 (Wiley-VCH))
470.
4
Durch elektrochemische Vorgänge können auf den Elektroden von Akkumulatoren Dendriten wachsen.
Wenn sie den Separator zwischen den Elektroden durchdringen, führt dies zum Kurzschluss in der Zelle.
Dieser hat einen vollständigen Ausfall oder in schwächer ausgeprägten Fällen eine beschleunigte Selbstentladung der Zelle zu Folge. Dieser Vorgang hat nichts mit dem Memory-Effekt zu tun.
http://de.wikipedia.org/wiki/Dendrit_(Kristallographie) (19.04.2009)
12
4 Strom im Auto: der Blei-Akkumulator
4.1 Aufgabenstellung
A 4.1 Führen Sie den Versuch durch!
A 4.2 Fertigen Sie ein sorgfältiges Versuchsprotokoll an: Schildern Sie möglichst genau alle Beobachtungen auch an den Elektroden! Verwenden Sie bei der Deutung die entsprechende
Fachterminologie (Anode/Kathode / Plus-Pol/Minus-Pol / Oxidation/Reduktion)
A 4.3 Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die Überladung (vgl. Material und Durchführung 3.) Begründen Sie ausführlich, warum erst bei einer Spannung von mehr als 2,5 V der
zu beobachtende Effekt eintritt. Definieren Sie mit eigenen Worten die Begriffe Überspannung, Zersetzungsspannung und Überpotential!
A 4.4 Erklären Sie, warum sich die Elektrodenpotentiale des Blei-Akkus von den StandardElektroden-Potentialen unterscheiden! Berechnen Sie die Potentiale, nehmen Sie dazu an,
dass die Sulfationen-Konzentration c(SO42-) = 0,5 mol·L-1 beträgt. (Achtung: sinnvollerweise
betrachten Sie den Entladevorgang!)
A 4.5 Erläutern Sie, wie in der Autobatterie die Spannung von 12 V erreicht wird!
4.2 Versuchsanleitung
Geräte
Becherglas 50 mL
2 Bleibleche
Spannungsquelle, Kabel, 2 Krokodilklemmen, Verbraucher (z.B. kleiner
Elektromotor)
Chemikalien
Schwefelsäure c = ca. 2 mol·L-1 Xi R: 36/38
S: 26-30-45
(Batteriesäure,
siehe Entsorgung)
1. Es wird eine Spannung von 2,5 V für etwa 2 Minuten angelegt.
2. Nach dem Abschalten der Spannungsquelle werden die Elektroden
a. über ein Voltmeter
b. über den Verbraucher (Glühbirnchen bzw. Elektromotor)
miteinander verbunden
Der Versuch wird mehrfach wiederholt, dabei reicht es, wenn die Spannung
jeweils nur für 1 min angelegt wird.
3. Es wird für ca. 1 min eine Spannung von 4 V angelegt.
Durchführung
weitere
Sicher- Die Bleibleche dürfen keinesfalls geschmirgelt werden und sollten auch
heitshinweise
nach Möglichkeit nicht mit den Händen angefasst werden, diese sind ansonsten unmittelbar zu waschen.
Die Schwefelsäure wird in einer speziell beschrifteten Flasche (Schwefelsäure für Bleiakku) aufbewahrt und kann immer wiederverwertet werden. Sie
darf keinesfalls in den Ausguss gegeben werden!
Entsorgung
entfällt bei Beachtung der Sicherheitshinweise
13
4.3 Material
M 4.1 Blei/Bleidioxid-System (Andere Bezeichnungen: Blei-Säure-Akku, Bleiakkumulator, Lead-acid battery system)
Anwendung
Der Bleiakkumulator ist das am häufigsten angewandte Sekundärsystem. Die größten Stückzahlen
gehen in die Autoindustrie als Starterbatterie. Andere Anwendungen sind Traktionsbatterien in
Gabelstaplern, elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und U-Booten. Notstromversorgungen für
große Anlagen werden allgemein mit Bleiakkumulatoren ausgerüstet. Batterien werden mit Kapazitäten von 1 Ah bis zu 12.000 Ah gebaut.
Vereinfachte elektrochemische Reaktionsgleichungen
(Die Gleichungen beziehen sich auf den Ladevorgang, der Entladevorgang entspricht der Rückreaktion)
Negative Elektrode
Positive Elektrode
Summe
PbSO4 + 2 H+ + 2 ePbSO4 + 2 H2O
2 PbSO4 + 2 H2O



Pb + H2SO4
PbO2 + 4 H+ + SO42- + 2 ePb + PbO2 + 2 H2SO4
Der Elektrolyt ist wässrige Schwefelsäure. Da die Schwefelsäure an den elektrochemischen Reaktionen beteiligt ist, muss sie strenggenommen zu den aktiven Massen gerechnet werden. Die Säurekonzentration kann daher als Maß für den Ladezustand des Bleiakkus verwendet werden. Da die
Säurekonzentration mit der Entladung abnimmt besteht bei einem teilentladenen Akku und tiefer
Umgebungstemperatur früher die Gefahr des Einfrierens der Elektrolytlösung. Mit eingefrorener
Elektrolytlösung kann die Batterie durch den höheren Innenwiderstand keinen hohen Laststrom
liefern.
Gegen Ladeschluss (nahezu alles PbSO4 ist in PbO2 umgewandelt), überschreitet die Zelle die Gasungsspannung von 2,39 V und es beginnt eine Überladereaktion bei der aus dem in der Elektrolytlösung enthaltenen Wasser Wasserstoff- und Sauerstoff-Gas erzeugt wird.
Achtung! Hochexplosive Gasmischung mit sehr niedriger Zündenergie und –temperatur.
Bei einigen Bauarten wird das gebildete Knallgas über eine Katalysatorpatrone zu Wasser rekombiniert = kein Wasserverlust, wartungsarm.
Technische Daten
 Elektrolytlösung (RT):
o Konzentration Schwefelsäure: 36,9 Gew.% = 1,28 g/cm³ voll geladener Akku,
o 7,7 Gew.% = 1,05 g/cm³ entladener Akku
o für Schwefelsäure mit 1,28 g/cm³ RT gilt:
o Leitfähigkeit: 0,7 S/cm
o Gefrierpunkt: -60 °C
o Viskosität: 2,5 Centipoise
 Leerlaufspannung : 2,08 V, Nennspannung: 2 V
 Entladeschlussspannung: 1,4 bis 1,7 V je nach Belastung
 Nennentladestrom: C/20 = 1/20 der Nennkapazität [Ah] in [A]. Bei höheren Strömen verringert
sich die entnehmbare Kapazität.
 Lagertemperatur: -25 bis 60 °C
 Betriebstemperatur: -10 bis 60 °C
Achtung! Entladene Akkus frieren durch die geringere Schwefelsäurekonzentration rasch ein.
14
Theoretische spezifische Energie : 160 Wh/kg
Praktische spez. Energie je nach Bauart: 25 bis 40 Wh/kg
Praktische Energiedichte: 60 bis 95 Wh/l
Energiewirkungsgrad : 70 bis 80 %
Lebensdauer: 250 bis 1.000 Zyklen, hängt sehr stark von der Bauart und den Betriebsbedingungen ab. Allgemein verringern folgende Faktoren die Lebensdauer: hohe Entladetiefe, Betriebstemperaturen > 25 °C, Ladeschluss-Spannung > 2,30 V, lange Lagerzeit im teil- oder tiefentladenen Zustand (gefüllte Akkus nur im geladenen Zustand lagern und regelmäßig nachladen!).
 Selbstentladung : je nach Bauart und Antimongehalt der Bleigitter bei Raumtemperatur 1 bis
20% im Monat. Bei einer Erhöhung der Lagertemperatur um jeweils 10 Grad verdoppelt sich die
Selbstentladungsrate.
 Bauarten: Vielfältige, dem jeweiligen Verwendungszweck angepasste Bauweisen. Neben den
offenzelligen Batterien mit flüssiger Schwefelsäure werden auch geschlossene Zellen mit eingedicktem Elektrolyt (thixotrope Mischung mit Kieselsäure = SiO2) hergestellt. Diese Batterien sind
lageunabhängig und werden mit einer max. Spannung von 2,35 V / Zelle geladen. Diese Betriebsweise ergibt wartungsfreie Batterien, da beim Laden kein Wasserverlust auftritt.





M 4.2 Aufbau
15
M 4.3 Oxidationsstufen von Hauptgruppenmetallen
Die höchste Oxidationsstufe der Hauptgruppenelemente entspricht der Gruppennummer im PSE,
bei den Hauptgruppenmetallen sind vor allem die höchste und die um zwei erniedrigte Oxidationsstufe von Bedeutung, diese niedrigere Oxidationsstufe gewinnt mit steigender Periode an Bedeutung.
M 4.4 Überspannung
In der Praxis wird zur Abscheidung von
Gasen an Elektroden in Abhängigkeit
von Ionenkonzentration, Stromdichte Gas
und Elektrodenmaterial oft eine deutlich
höhere Spannung benötigt, als nach
Wasserdem Halbzellenpotential berechnet wer
stoff
den kann. Die Differenz zwischen Abscheidespannung
und
ElektrodenPotential bezeichnet man als Überspannung.
Eine Übersicht gibt nebenstehende Tabelle.
Potentiale etc.
E0(Pb/PbSO4) = - 0,36 V
E E0(Pb/Pb2+) = - 0,13 V
E0(H2/H+) = 0,00 V
E0(H2O/O2) = - 1,23 V
E0(Pb2+/PbO2) = + 1,46 V
E0(Pb/Pb2+) = + 1,69 V
Überpotentiale
/
V
bei einer Stromdichte
von
10-2 A/cm² 10-1 A/cm²
Platin (platiniert) 0,03
0,05
Platin ( blank)
0,35
0,40
Eisen
0,53
0,64
Graphit
0,76
0,99
Zink
0,88
1,10
Quecksilber
1,15
1,21
Blei
1,24
1,26
Sauerstoff Platin (blank)
1,32
1,50
Eisen
0,48
0,56
Graphit
0,53
1,09
Palladium
1,01
1,21
Blei
0,97
1,02
Chlor
Platin
0,008
0,05
Graphit
0,05
0,25
Elektrodenmaterial
KL(PbSO4) = 2·10-8 mol2·L-2
Quellen
http://www.ict.fhg.de/deutsch/scope/ae/bleisystem.html (18.11.2005)
Bildquelle: Cornelsen-Verlag
16
5 Der Nickel/Cadmium-Akkumulator
5.1 Aufgabenstellung
A 5.1 Lassen Sie sich den Versuch vorführen und vervollständigen Sie ausführlich das Versuchsprotokoll! Stellen Sie die Vorgänge bei den Lade-/Entladezyklen dar und verwenden Sie die
entsprechende Fachterminologie (Anode/Kathode / Plus-Pol/Minus-Pol / Oxidation/Reduktion)
A 5.2 Vergleichen Sie den Ni/Cd-Akku mit der Bleibatterie, der Brennstoffzelle und dem NiMHAkku: arbeiten Sie die Vor- und Nachteile der verschiedenen Systeme sorgfältig heraus!
5.2 Versuchsanleitung – Lehrerdemonstrationsversuch
Geräte
Becherglas 50 mL
Nickelnetz
Cadmiumblech
Spannungsquelle, Kabel, 2 Krokodilklemmen, Verbraucher (z.B. kleiner
Elektromotor), Universalmessgerät
Chemikalien
Kalilauge c = 5 mol·L-1
Durchführung
1. Die Nickelelektrode wird an den Plus-Pol der Spannungsquelle, das Cadmiumblech an den Minuspol angeschlossen. Es wird 2 min mit
U = 2 V elektrolysiert (Elektrolyt: Kalilauge).
2. Die Nickel- und die Cadmiumelektrode werden über das Universalmessgerät miteinander verbunden, die Spannung gemessen und die Polung beobachtet.
3. Nach erneutem Elektrolysieren wird ein Verbraucher angeschlossen.
weitere Sicherheitshinweise
Die Cadmiumelektrode darf keinesfalls geschmirgelt werden, da Cadmiumstäube sehr giftig sind! Es besteht für alle Cadmiumverbindungen außer
Cadmiumsulfat in der Schule Verwendungsverbot. Da in diesem Versuch
jedoch keine gelösten Stoffe oder Stäube anfallen, sondern das entstehende Hydroxid fest auf der Elektrode haftet, ist eine Durchführung als Lehrerversuch m.E. möglich.
Die Nickelnetzelektrode sollte nach Möglichkeit nicht mit der Haut in Berührung kommen, da Nickel ein Kontaktallergen ist.
Entsorgung
C
R: 35
S: 26-36/37/39-45
Da eine Kontamination durch Schwermetall-Ionen nicht ausgeschlossen
werden kann, wird die Kalilauge in das Abfallgefäß „schwermetallhaltige
Lösungen― gegeben.
Alternative: Die Kalilauge wird zur Wiederverwendung in diesem Versuch
gekennzeichnet aufbewahrt.
17
5.3 Material
M 5 Nickel/Cadmium-System
(Andere Bezeichnungen Ni/Cd, NiCd-Akku, Nickelakkumulator, NC-Akku, nickel/cadmium-system)
Anwendung
Gasdichte Nickel-Cadmium-Batterien werden häufig in Kleingeräten verwendet. Es gibt sie in verschiedenen Bauformen (Knopfzellen, Rundellen, prismatische Batteriepacks). Die Nennspannung
einer einzelnen Zelle beträgt 1,3 V.
Daneben gibt es prismatische Batterien in offener Bauweise, die wegen ihrer hohen Leistung und
Kapazität vorwiegend in Notstromaggregaten und als Starterbatterie in der Luftfahrt eingesetzt
werden.
Ni/Cd-Batterien werden mit Kapazitäten von 10 mAh (Knopfzelle) bis >300 Ah (offene Bauweise)
gefertigt.
Vereinfachte elektrochemische Reaktionsgleichungen
(Die Gleichungen beziehen sich auf den Ladevorgang, der Entladevorgang entspricht der Rückreaktion)
Laden
Negative Elektrode
Positive Elektrode
Summe
Cd(OH)2 + 2e2 Ni(OH)2 + 2 OHCd(OH)2 + 2 Ni(OH)2



Cd + 2 OH2 NiOOH + 2 H2O + 2 eCd + 2 NiOOH + 2 H2O
Als Elektrolyt wird Kalilauge mit einer Dichte von 1,19 – 1,30 g/cm3 (entspricht ca. 20-30 Gew. %)
verwandt. Höhere Konzentrationen bewirken eine größere Entladekapazität bei verringerter Lebensdauer.
Gegen Ladeschluss überschreitet die Zelle die Gasungsspannung von 1,55 bis 1,6 V/Zelle und es
beginnt bei offenen Zellen eine Überladereaktion, bei der aus dem in der Elektrolytlösung enthaltenen Wasser Wasserstoff- und Sauerstoffgas erzeugt wird, das entweicht:
Überladung
Negative Elektrode
Positive Elektrode
Gesamtreaktion
4 H2O + 4e4 OH2H2O



2 H2 + 4 OH2 H2O + O2 + 4e2 H2 + O2
(H2-Entwicklung)
(O2-Entwicklung)
(Knallgas)
Bei offenen Zellen muss der Verlust an Wasser von Zeit zu Zeit durch Nachfüllen von destilliertem
Wasser ausgeglichen werden.
Zur Vermeidung der Gasentwicklung sind gasdichte Zellen sind mit einer überdimensionierten negativen Elektrode ausgestattet, die eine Ladereserve aus Cadmiumhydroxid enthält. Wird nach
vollständigem Laden der Zelle weitergeladen, so wird dieses zu Cadmium reduziert, es entsteht
kein Wasserstoff. Der am Plus-Pol entstehende Sauerstoff diffundiert zur Cadmium-Elektrode und
oxidiert diese.
Weiterentwickelte gasdichte Faserstruktur-Ni/Cd-Zellen enthalten spezielle FaserstrukturRekombinationselektroden. Der entwickelte Sauerstoff gelangt über den Gasraum zur Rekombinationselektrode und wird an der katalytischen Oberfläche so schnell rekombiniert, dass sich im Betrieb ein leichter Unterdruck einstellt. Schnellladung ist möglich.
18
Technische Daten
Ni/Cd-System
offen
gasdicht
Elektrolytlösung KOH
Leitfähigkeit (20 °C)
Gefrierpunkt
Leerlaufspannung
Spannung unter Nennlast
Betriebstemperatur
Dichte 1,17 – 1,19 g/cm3
0,5 S/cm
spez. Energie
(theoretisch 210 Wh/kg)
Energiedichte
Lebensdauer
(bei mittlerer Temperatur)
Schockbelastbarkeit
Energiewirkungsgrad
25 Wh/kg
Dichte 1,24 – 1,3 g/cm3
0,63 S/cm
- 46°C
1,28 – 1,35 V
1,2 V
- 20 bis + 50°C, (60°C)
empfohlen: +10 – 45°C
40 Wh/kg, 25 bis 35 Wh/kg mit Faserstrukturelektroden
35 bis 100 Wh/l
ca. 4 Jahre; 1000 – 2000 Zyklen
(abhängig von der Nutzung)
sehr gut
60 bis 70%
1,35 V
1,2 V
- 20 bis 45°C
Bis 15 Jahre; 1500 – 4000 Zyklen
(je nach Elektrodentyp)
gut
70-80 %
Besonderheiten
Die Viskosität der Elektrolytlösung fällt stark mit der Temperatur ab. Bei tiefen Temperaturen und
großen Lade/Entladeströmen können durch verminderte Diffusion Dichteunterschiede eintreten,
die Potentialabfall und lokales Einfrieren bewirken.
Memory-Effekt: Ni/Cd-Zellen können u.a. durch wiederholte Teilentladung eine 2. Entladestufe
entwickeln, die um 120 mV tiefer liegt. Es scheint, dass sich die Zelle daran erinnert, vorher nur
eine Teilkapazität abgegeben zu haben. Ursache ist die Kornvergröberung des Cadmiums und Bildung einer intermetallischen Phase der Zusammensetzung Ni5Cd21. Zur Beseitigung des MemoryEffektes muss die Zelle zunächst tiefentladen und anschließend mit Nennstrom und doppelter Ladezeit aufgeladen werden. Dadurch werden die aktiven Massen wieder vollständig aufgeladen.
Selbstentladung: Abhängig von Bauart und Temperatur. Bei -20 °C ca. 1% pro Monat. Bei Raumtemperatur ca. 15% Kapazitätsverlust /Monat, bei 45°C ca. 80% in den ersten drei Monaten, danach ca. 3% / Monat.
Bauarten: Vielfältige, dem jeweiligen Verwendungszweck angepasste Bauweisen. Neben den
offenzelligen Batterien mit flüssiger Kalilauge werden gasdichte Zellen mit Überladeschutz hergestellt. Diese Batterien sind lageunabhängig und werden mit einer max. Spannung von 1,55 V geladen. Geschlossene Batterien sind wartungsfrei, da beim Laden kein Wasserverlust auftritt. Neuere Batterien enthalten Sinter- oder Faserstrukturelektroden. Letztere können in einer Stunde geladen werden.
Vorteile des Systems: Zuverlässig, langlebig, robust, tiefentladefähig, lange Standzeit im entladenen Zustand, auch bei tiefen Temperaturen entladefähig, Schnellladung bei bestimmten Bauarten möglich.
Nachteile des Systems: Die Cadmiumbelastung der Umwelt in den Industriestaaten stammt
weitgehend aus der Deponierung verbrauchter NiCd-Akkus. Das giftige Cadmium bildet lösliche
Verbindungen und gelangt so ins Grundwasser. Trotz der Einführung der Batterieverordnung
(BattV) im Jahr 1998 mit einer Rückgabepflicht der Verbraucher und einer Rücknahmepflicht der
Hersteller ist die Rücklaufquote bei den kleineren Haushaltsbatterien schlecht. In der Europäische
Union ist das Inverkehrbringen von NiCd-Akkus seit dem 26.09.2008 verboten.
Ausnahmen vom Inverkehrsetzungsverbot für NiCd-Akkumulatoren bestehen nur für medizinische
Geräte, Notsysteme und Alarmsysteme, einschließlich Notbeleuchtung und schnurlosen Elektrowerkzeugen.
19
Quellen
Batterie-Glossar des Fraunhofer ICT http://www.ict.fhg.de/deutsch/scope/ae/nikohcd.html
(05.09.2005)
M. Tausch/M. von Wachtendonk, Chemie 2000+ Band 2 (Buchner-Verlag, Bamberg 2004) S. 50.
20
6 Der Nickel/Metallhydrid – Akkumulator
6.1 Aufgabenstellung
A 6.1 Führen Sie den Versuch sorgfältig durch!
A 6.2 Notieren Sie alle Beobachtungen bei den Schritten 2-4 und deuten Sie diese sorgfältig. Verwenden Sie dazu die untenstehenden Informationen!
A 6.3 Erklären Sie, aus welchem Grund nur mit U = 2 V elektrolysiert wird! (Welche Reaktion würde ansonsten anodisch ablaufen? Warum läuft diese Reaktion bei der gewählten Spannung
nicht ab?)
A 6.4 Erläutern Sie, warum die Potentiale unter 3.3.3 keine Normalpotentiale sind und aus welchem Grund dort pH-Werte angegeben sind! Zeigen Sie, dass das Potential einer Wasserstoffhalbzelle bei pH = 14 dem angegebenen Wert entspricht!
A 6.5 Informieren Sie sich über den Begriff „Hydrid―: Was versteht man im allgemeinen unter Hydriden? Welche besondere Form des Hydrids liegt in dieser Akkumulator-Bauform vor?
6.2 Versuchsanleitung
Geräte
Becherglas 50 mL
Nickelnetz (in Elektrochemiekästen enthalten, i.d.R. palladiniert)
Platinelektrode
Stromquelle, Universalmessgerät, 2 Kabel, Krokodilklemme
Chemikalien
Kalilauge c = 5 mol·L-1
C
R: 35
S: 26-36/37/39-45
Durchführung
1. Die Elektroden werden in ein Becherglas mit 25 mL Kalilauge gestellt,
dabei sollte die Nickelelektrode wegen möglicher Kontaktallergien nicht
mit der Hand angefasst werden.
2. Es wird ca. 2 min bei 2 V elektrolysiert, dabei wird das Nickelnetz als
Anode (Plus-Pol) und die Platinelektrode als Kathode (Minus-Pol) geschaltet.
3. Die Kabel werden von der Spannungsquelle getrennt und mit dem Universalmessgerät (Messbereich: 2 V =) verbunden.
4. Es wird eine Entladekurve aufgenommen (Spannung gegen Zeit, Intervalle: zu Beginn 30 s, später 5 min)
weitere Sicherheitshinweise
Nickel ist ein Kontaktallergen und sollte nur mit Handschuhen, Pinzette oder
den Krokodilklemmen angefasst werden
Entsorgung
Die Lösungen werden wiederverwendet!
21
6.3 Material
M 6.1 Nickel/Metallhydrid-System
(Andere Bezeichnungen: Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, nickel/hydride-system)
Anwendung
Das System enthält weniger Umwelt belastenden Stoffe und ist kompatibel mit dem Ni/Cd-System.
Ein Ersatz von Nickel-Cadmium Akkumulatoren in Geräten ist überall möglich, wo es nicht auf extreme Hochstromentladung ankommt.
Man unterscheidet Hochdruck-Batterien, bei denen der Wasserstoff in einem Druckbehälter gespeichert ist und Niederdruck-Batterien, bei denen der Wasserstoff an eine Metalllegierung gebunden ist. Hochdruckbatterien werden für sehr langlebige Stromversorgung von Satelliten verwendet.
Große, prismatische Akkus werden als Traktionsbatterien eingesetzt.
Vereinfachte elektrochemische Reaktionsgleichungen
(Die Gleichungen beziehen sich auf den Ladevorgang, der Entladevorgang entspricht der Rückreaktion)
M = Wasserstoff speichernde Legierung,
(z.B. Typ AB5: MmNi3,5Co0,7Mn0,4Al0,3 , Typ AB2: V15Ti15Zr20Ni28Cr5Co5Fe6Mn6)
Mm = Lanthanreiches Mischmetall mit 50% Lanthan, 30% Cer und 14% Neodym.
Negative Elektrode: M + H2O + ePositive Elektrode:
Ni(OH)2 + OH-


MH + OHNiOOH + H2O + e-
Summe:

MH + NiOOH



2 e- + ½ O2 + H2O
2 OH- + H2
H2 O
Überladung
positive Elektrode:
negative Elektrode:
Rekombination:
M + Ni(OH)2
2 OH2 H2O + 2e½ O 2 + H2
Technische Daten
Elektrolytlösung:
Konzentration der Kalilauge:
Leitfähigkeit (20 °C):
Gefrierpunkt:
Zellspannung:
Nennspannung:
Leerlauf:
Arbeitsspannung:
Entladeschluss:
Betriebstemperatur:
Theoretische spezifische Energie:
Praktische spez. Energie:
Energieinhalt volumetrisch:
Entladeprofil:
Energiedichte:
Selbstentladung bei 20°C / Monat:
Lebensdauer:
Mögliche Zyklen:
Kalilauge mit Lithiumhydroxid-Anteilen
26 bis 31 Gew.%, üblich 30 Gew.%
0,54 S/cm
-46 °C
1,2 V
1,4 V
1,25 bis 1,10 V
1,0 V
-20 bis 50 °C, empfohlen: Laden 10-35°C, Entladen 0-25°C
378 Wh/kg
50 bis 80 Wh/kg
170 bis 200 Wh/l
flach
mäßig bis hoch
20 %
2 bis 5 Jahre
300 bis 1000 Zyklen
22
Bauarten:
Vorwiegend Knopf- und Rundzellen, aber auch prismatische
Zellen und entsprechende Batteriepacks.
Hochdruckausführung mit gasförmig gespeichertem Wasserstoff (30 bis 40 bar) für die Reservestromversorgung von Satelliten. Diese Ausführung zeichnet sich insbesondere durch
hohe Zyklenzahl (1500 bis 6000 Zyklen) aus. Nachteilig ist die
hohe Selbstentladerate von 60% / Monat.
Besonderheiten
Im Gegensatz zum Ni/Cd-System tritt kaum ein Memory-Effekt auf.
Wie beim Ni/Cd-System ist begrenzte Überladung im geschlossenen System möglich. Überschüssiges Elektrodenmaterial in der negativen Elektrode dient als Lade-Entladereserve und verzehrt den
gegen Ende der Ladung und bei Überladung entstehende Sauerstoff.
Die Temperatur hat erheblichen Einfluss auf Kapazität, Spannungslage und Lebensdauer der Zelle.
Vorteile: Hohe spez. Energie, weniger Umwelt belastenden Inhaltsstoffe als NiCd-System, zuverlässig, langlebig, robust, tiefentladefähig, lange Standzeit im entladenen Zustand, auch bei tiefen
Temperaturen entladefähig. Hohe Ströme möglich.
Nachteile: Höhere Kosten als NiCd-System, höhere Selbstentladungsrate als bei NiCd-System
(besonders bei erhöhter Temperatur), geringere Lebensdauer.
M 6.2 Metallhydride
Sammelbez. für Verb. von Metallen mit Wasserstoff; die Verb. der Halbmetalle mit Wasserstoff
bleiben hier unberücksichtigt. Es gibt stöchiometr. M. (Beisp.: die Hydride der Alkali- u. Erdalkalimetalle), hochpolymere M. (diejenigen von Al, Be u. Mg), die sog. komplexen M. (Beisp.: Alanate,
Boranate) u. die hier interessierenden nichtstöchiometr. M., die im Gegensatz zu den vorerwähnten salzartigen u. Hydridionen-haltigen M. metallartig sind u. den Leg. ähneln.
Die M. werden bes. von Übergangsmetallen u. intermetall. Verb. gebildet u. sind spröde, im allg.
luft- u. wasserbeständige Massen. Sie stellen feste Lsg. von Wasserstoff in Metallen dar, in denen
H-Atome Zwischengitterplätze besetzen, wodurch das Kristallgitter stark aufgeweitet wird. Ein
Raumteil Eisen kann z.B. 19, Gold 46, Platin 50 u. Palladium gar 500–900 Raumteile Wasserstoff
Leg.-artig aufnehmen, was seine bes. Eignung als Hydrierungs-Katalysator verständlich macht. Bei
der H-Einlagerung werden die zunächst an der Metalloberfläche adsorbierten H2-Mol. in H-Atome
gespalten, die dann in das Gitter aufgenommen werden.
Herst.: Sie erfolgt im allg. durch direkte Einwirkung von H2 auf – möglichst fein verteiltes – Metall
unter Druck bei erhöhter Temp. Die H2-Aufnahme ist weitgehend reversibel, d.h. durch Druckverminderung bei gegebener Temp. (od. Temp.-Erhöhung bei gegebenem Druck) wird der Wasserstoff wieder abgegeben; die Be- u. Entladung sollte beliebig wiederholt werden können. Einige
Leg. wie z.B. LaNi5 od. CaNi5 reagieren schon bei Raumtemp. mit H2, ebenso FeTi mit 5% Mn,
während reine FeTi-Leg. zuvor aktiviert werden müssen.
Die M. stellen somit Wasserstoff-Speicher dar, die z.B. in Brennstoffzellen od. in H2-getriebenen
Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können, u. in Spraydosen zur Erzeugung des Zerstäubungsdrucks durch Wasserstoff (statt FCKW) geeignet erscheinen. [...]
Potentiale
2 H2O + 2 eNiOOH + H2O + eO2 + 2 H2O + 4 e-



H2 + 2 OHNi(OH)2 + OH4 OH-
E0= - 0,83 V (pH = 14)
E0= + 0,49 V (pH = 14)
E0= + 0,40 V (pH = 14)
Quellen
M 6.1: Batterie-Glossar des Fraunhofer ICT
http://www.ict.fhg.de/deutsch/scope/ae/nimehysys.html (05.09.2005)
M 6.2: CD Römpp Chemie Lexikon – Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995
23
7 Hinweise für die Lehrkraft
7.1 Methodisch-didaktische Überlegungen
Dieses Material kann vielfältig eingesetzt werden:
Bei viel Zeit oder z.B. in einem Leistungskurs können die Schülerinnen und Schüler es als klassisches Stationenlernen bearbeiten:
Alle Stationen werden an verschiedenen Stellen aufgebaut und die Schülerinnen und Schüler beginnen an einer beliebigen Station, können die Stationen auch im Prinzip in beliebiger Reihenfolge
bearbeiten.
Es können selbstverständlich auch einzelne Stationen aus dem Material herausgelöst werden und
z.B. nur die Akkumulatoren (Stationen 4-6) oder nur die Batterien (Stationen 1-3) bearbeitet werden.
Eine weitere Möglichkeit ist es, den Schülerinnen und Schüler das Material als arbeitsteilige Gruppenarbeit zur Verfügung zu stellen und als Kurzreferate in der Lerngruppe thematisieren zu lassen.
Die Station 5 Nickel-Cadmium-Akkumulator ist dabei als Lehrer-Demonstrationsversuch eingeplant,
kann aber auch, wenn einmal aufgebaut, von den Schülerinnen und Schüler unter Beachtung der
entsprechenden Sicherheitsbestimmungen selbst gemessen werden, da es beim Messen zu keinem
Kontakt mit den Lösungen und Metallen kommt.
24
7.2 Lösungen zu den Stationen
A 1.1 Führen Sie den Versuch sorgfältig durch! Protokollieren Sie Ihre Beobachtungen und deuten Sie diese.
Bei der Voltaschen Säule handelt es sich um eine Reihe von hintereinander geschalteten
galvanischen Zellen. Am negativen Pol, der hier Anode ist, da hier die Oxidation stattfindet,
geht das unedlere Metall in Lösung: Das Zinkplättchen löst sich auf: Jedes Zinkatom, das
als Zinkion in Lösung geht, gibt zwei Elektronen ab; in der Zinkelektrode entsteht so ein
Elektronenüberschuss, weshalb sie den negativen Pol bildet. An der positiven Elektrode, der
Kathode, da hier die Reduktion stattfindet, sind mehrere Reaktionen möglich. Handelt es
sich um Kupferplatten, die nicht poliert wurden, sind sie mit einer Oxidschicht bedeckt.
Dann läuft zunächst die Reduktion ab. Diese kann auch erfolgen, wenn das Kupfer aufgrund der Anwesenheit von Luftsauerstoff in Lösung gegangen ist. Die Voltasche Säule
funktioniert aber auch, wenn poliertes Kupfer oder Silber als Elek-troden verwendet werden, wenn also gar keine Kupfer- oder Silberionen vorhanden sind. Dann wird Sauerstoff
aus der Luft am Kupfer oder Silber reduziert: Verwendet man an Stelle eines neutralen
Elektrolyten (z. B. Salzwasser) einen sauren (z. B. Essig oder verdünnte Schwefelsäure oder
Salzsäure), so werden am Kupfer bzw. Silber Wasserstoffionen reduziert. Die Wasserstoffentwicklung erfolgt nicht nur an der Zinkelektrode, weil Wasserstoff an Zink eine deutlich
größere Überspannung hat als an Kupfer oder Silber.
A 1.2 Stellen Sie alle ablaufenden Reaktionen mit den entsprechenden Potentialen zusammen,
berechnen Sie die theoretische Spannung und vergleichen Sie mit der gemessenen!
A 1.3 Vergleichen Sie den durchgeführten Versuch mit dem historischen!
A 1.4 Berechnen Sie die historisch verwendeten Redoxpaare. Entwickeln Sie eine Versuchsanordnung, wie z.B. Natrium mit Hilfe der Voltaschen Säule dargestellt werden konnte!
Davy hat 1807 erstmals Natrium mit der Schmelzflusselektrolyse von geschmolzenem Natriumhydroxid dargestellt.5
A 2.1 Führen Sie den Versuch sorgfältig durch!
A 2.2 Deuten Sie ausführlich die Beobachtungen (Reaktionsschemata, gemessene Spannungen,
Verhalten während des Entladeprozesses)
A 2.3 Erläutern Sie, aus welchem Grund eine „Trockenbatterie― „auslaufen― kann!
A 3.1 Führen Sie den Versuch sorgfältig durch!
A 3.2 Vergleichen Sie diese Zelle mit dem Leclanché-Element: in wie weit werden die Unterschiede der technischen Zellen in den Versuchen umgesetzt?
A 3.3 Zeigen Sie mathematisch, dass die Potentialdifferenzen der Alkali-Mangan-Zelle und des
Leclanché-Elements trotz der pH-Abhängigkeit der Elektrodenpotentiale identisch sind!
5
Dieser Versuch kann auch in der Schule durchgeführt werden (Lehrerversuch!), dazu wird Natriumhydroxid in einem Edelstahlgefäß zum Schmelzen erhitzt (318°C, die Schmelze wird knapp über dem Schmelzpunkt gehalten, da sich ab ca. 330°C Natrium in der Schmelze löst!). Der Edelstahltiegel wird als Anode,
ein Kupferdraht als Kathode genutzt, die Spannung wird so gewählt, dass nur eine geringe Gasentwicklung zu beobachten ist.
Es darf keinesfalls mit Glasgeräten gearbeitet werden (Thermometer!), da flüssiges NaOH Glas stark angreift.
25
A 4.1 Führen Sie den Versuch durch!
A 4.2 Fertigen Sie ein sorgfältiges Versuchsprotokoll an: Schildern Sie möglichst genau alle Beobachtungen auch an den Elektroden! Verwenden Sie bei der Deutung die entsprechende
Fachterminologie (Anode/Kathode / Plus-Pol/Minus-Pol / Oxidation/Reduktion)
A 4.3 Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die Überladung (vgl. Material und Durchführung 3.) Begründen Sie ausführlich, warum erst bei einer Spannung von mehr als 2,5 V der
zu beobachtende Effekt eintritt. Definieren Sie mit eigenen Worten die Begriffe Überspannung, Zersetzungsspannung und Überpotential!
A 4.4 Erklären Sie, warum sich die Elektrodenpotentiale des Blei-Akkus von den StandardElektroden-Potentialen unterscheiden! Berechnen Sie die Potentiale, nehmen Sie dazu an,
dass die Sulfationen-Konzentration c(SO42-) = 0,5 mol·L-1 beträgt. (Achtung: sinnvollerweise
betrachten Sie den Entladevorgang!)
A 4.5 Erläutern Sie, wie in der Autobatterie die Spannung von 12 V erreicht wird!
A 5.1 Fertigen Sie ein ausführliches Versuchsprotokoll an! Stellen Sie die Vorgänge bei den Lade/
Entladezyklen dar und verwenden Sie die entsprechende Fachterminologie (Anode/Kathode
/ Plus-Pol/Minus-Pol / Oxidation/Reduktion)
Erstes Laden:
+/Oxidation/Anode
-/Reduktion/Kathode
Summe
4 Ni + 6 OH6 H2O + 6 e4 Ni + 4 H2O



2 NiOOH + 2 H2O + 6 e3 H2 + 6 OH(Gasen: H2-Entwicklung)
2 NiOOH + 3 H2
Beim Laden entsteht an der Nickel-Elektrode Nickel(III)-hydroxid, dieses ist an der
Schwarzfärbung zu erkennen. An der Cadmium-Elektrode findet beim ersten Laden ausschließlich eine Gasentwicklung statt! Bei weiteren Ladezyklen wird aus dem beim Entladen
entstandenen Cadmiumhydroxid wieder metallisches Cadmium.
Laden:
-/Reduktion/Kathode
+/Oxidation/Anode
Summe
Cd(OH)2 + 2e2 Ni(OH)2 + 2 OHCd(OH)2 + 2 Ni(OH)2



Cd + 2 OH2 NiOOH + 2 H2O + 2 eCd + 2 NiOOH + 2 H2O
In Schritt 2 liefert das elektrochemische Element eine Spannung von ca. 1,1-1,2 V, dies
entspricht der Nennspannung des NiCd-Akkus.
Entladen:
-/Oxidation/Anode
+/Reduktion/Kathode
Summe
Cd + 2 OH Cd(OH)2 + 2e2 NiOOH + 2 H2O + 2 e-  2 Ni(OH)2 + 2 OHCd + 2 NiOOH + 2 H2O  Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2
Wird ein Verbraucher an die Zelle angeschlossen, so bricht nach kurzer Zeit die Spannung
stark ein. Offensichtlich ist die Kapazität des Elementes sehr gering, es fließt nur ein geringer Strom.
26
A 5.2 Vergleichen Sie den Ni/Cd-Akku mit der Bleibatterie, der Brennstoffzelle und dem NiMHAkku: arbeiten Sie die Vor- und Nachteile der verschiedenen Systeme sorgfältig heraus!
A 6.1 Führen Sie den Versuch sorgfältig durch!
A 6.2 Notieren Sie alle Beobachtungen bei den Schritten 2-4 und deuten Sie diese sorgfältig. Verwenden Sie dazu die untenstehenden Informationen!
Beobachtungen
zu 2. Das Nickelnetz verfärbt sich schwarz, es ist eine geringe Gasentwicklung zu beobachten, an der Platinelektrode ist nach kurzer Zeit eine kräftigere Gasentwicklung zu beobachten.
zu 3. zu Beginn der Messung beträgt die Spannung 1,4 V, diese sinkt recht schnell auf ca.
1,2 V ab um dann langsam weiter abzusinken.
zu 4.
Entladekurve NiMH-Akkumulator
1,6
1,4
1,2
1
V
/ 0,8
U
0,6
0,4
0,2
0
1
3
5
7
9
11 13
15
17 19 21 23
t/min
25 27
29
31
33 35
37
39
41
Deutung
zu 2. Die Schwarzfärbung deutet auf das entstehende Nickel(III)-hydroxid NiOOH hin, Nickel(II)-hydroxid ist grün.
Ni(OH)2 + OH- 
NiOOH + H2O + eBei der Gasentwicklung handelt es sich um geringe Menge an Sauerstoff, auch wenn die
Sauerstoffbildung gehemmt ist (s.u.)
An der Platinelektrode bildet sich das Metallhydrid, d.h., es wird Wasserstoff gebildet und
dieser löst sich im Platin der Elektrode. Ist die Elektrode gesättigt, so entweicht Wasserstoff.
zunächst:
dann:
Gesamtreaktionsschema:
M + H2O + e2 H2O + 2 eM + 3 H2O + 3 e-



MH + OHH2 + 2 OHMH + H2 + 3 OH-
zu 3. 1,4 V entspricht der Leerlaufspannung des Akkumulatortyps, 1,2 V der Spannung unter
Last, da es sich in diesem Modellversuch um einen sehr leistungsschwachen Aufbau handelt
(gemessene Stromstärke: 0,4 mA) reicht bereits der geringe Widerstand des Messgerätes
aus, um nach kurzer Zeit den Akkumulator in den Lastbereich zu bekommen.
zu 4. vgl. zu 3.
A 6.3 Erklären Sie, aus welchem Grund nur mit U = 2 V elektrolysiert wird! (Welche Reaktion würde ansonsten anodisch ablaufen? Warum läuft diese Reaktion bei der gewählten Spannung
nicht ab?)
27
Anodisch würde als Nebenreaktion Sauerstoff abgeschieden. Eigentlich ist das Potential der
Oxidation des Sauerstoffs bei pH = 14 mit + 0,4 V geringer als das der Oxidation von Ni(II)
zu Ni(III). Offensichtlich hat die Abscheidung von Sauerstoff ein Überpotential an der Nickelelektrode. Dieses Abscheidepotential (= Normalpotential + Überpotential) wird bei Spannungserhöhung überschritten.
A 6.4 Erläutern Sie, warum die Potentiale unter 3.3.3 keine Normalpotentiale sind und aus welchem Grund dort pH-Werte angegeben sind! Zeigen Sie, dass das Potential einer Wasserstoffhalbzelle bei pH = 14 dem angegebenen Wert entspricht!
A 6.5 Informieren Sie sich über den Begriff „Hydrid―: Was versteht man im allgemeinen unter Hydriden? Welche besondere Form des Hydrids liegt in dieser Akkumulator-Bauform vor?
28
7.3 Gefährdungsbeurteilung nach dem Schutzstufenmodell
7.3.1 Gefährdungsbeurteilung Volta-Element
Geräte
Filterpapier
Bierdeckel
Messgerät, Kabel, Klemme
Chemikalien
Aluminiumfolie
5-Cent-Stücke
Haushaltsessig, 5%
(c(HAc) ca. 1 mol/L)
Durchführung
1. Aus der Aluminiumfolie und dem Filterpapier werden so viele Kreise wie Münzen
vorhanden sind, ausgeschnitten, die etwas größer sind als die 5-Cent-Stücke.
Aus dem Bierfilz werden zwei schmale Streifen geschnitten.
2. Nun wird gestapelt: ein Bierdeckel-Kreis, dann immer Münze / Filterpapier /
Alufolie usw., als Abschluss wieder ein Bierdeckel. Der ganze Stapel wird in einer
Klemme fixiert und etwas zusammengepresst.
3. Die gesamte Säule wird mit Essig übergossen, so dass die Filterpapiere alle getränkt sind.
4. Zwischen der Münze am einen Ende der Säule und der Aluminiumfolie am anderen Ende wird die Spannung gemessen.
5. Vergleichen Sie die Münzen zu Beginn und zu Ende des Versuchs!
weitere Sicherheitshinweise
Entsorgung
-
R: R: R: -
S: S: S: -
Hausmüll
Substitutions-Prüfung nicht erforderlich.
Gefahren durch Einatmen oder Hautkontakt mit dem Schema 1 (Heft 3, Seite 25 f) geprüft:
keine.
Brand- oder Explosionsgefahr mit Schema II (Heft 3, Seite27) geprüft: keine
Sonstige Gefahren mit Schema III (Heft 3, Seite 28) geprüft: keine
Maßnahmen: (Symbole bedeuten: Mindeststandards, Schutzbrille, Handschuhe, Abzug, geschl. System, Lüften, Brandschutz)
TRGS
500
Schülerversuch, Schutzstufe 1
Datum:.........................
Unterschrift:.........................................
29
7.3.2 Gefährdungsbeurteilung Leclanché-Element
Geräte
Stativ mit Klemme und Muffe
2 kleine Bechergläser
Reagenzglasklammer
Elektromotor, Messgerät, Kabel, Krokodilklemmen
Bierdeckel
Chemikalien
Ammoniumchlorid
Mangandioxid
Zinkblech-Elektrode
Kohle-Plattenelektrode
Stärke
Durchführung
weitere Sicherheitshinweise
Entsorgung
Geräte
Chemikalien
Durchführung
Xn
R:
R: 20/22
R: R: -
S:
S: (2)-25
S: S: -
1. Die Elektroden werden blank geschmirgelt, aus dem Bierdeckel wird eine Platte
geschnitten, die etwas kürzer ist als die Elektroden.
2. Es wird eine Mischung aus Mangandioxid, Wasser und Stärke angerührt, so dass
eine zähe Paste entsteht, im zweiten Becherglas wird eine gesättigte Ammoniumchloridlösung hergestellt.
3. Die Kohleelektrode wird mit der Mischung bestrichen, darauf wird die BierdeckelPappe gelegt. Diese wird mit Ammoniumchlorid-Lösung getränkt. Hierauf wird die
Zink-Plattenelektrode gelegt, so dass sich an beiden Elektroden jeweils eine Krokodilklemme befestigen lässt.
4. Die Batterie wird mit der RG-Klammer zusammengehalten, die RG-Klammer kann
in einem Stativ eingespannt werden. (Die RG-Klammer fungiert als Halter, da bei
zu großem Druck die Gefahr besteht, dass die Kohleplatte bricht.)
5. Die Spannung wird gemessen, es kann eine Entladekurve aufgenommen werden,
hierzu wird parallel ein kleiner Elektromotor oder ein Widerstand geschaltet.
abgekratzte Paste und Bierfilz: Feststoffabfall
Substitutions-Prüfung nicht erforderlich.
Gefahren durch Einatmen oder Hautkontakt mit dem Schema 1 (Heft 3, Seite 25 f) geprüft:
keine.
Brand- oder Explosionsgefahr mit Schema II (Heft 3, Seite27) geprüft: keine
Sonstige Gefahren mit Schema III (Heft 3, Seite 28) geprüft: keine
Maßnahmen: (Symbole bedeuten: Mindeststandards, Schutzbrille, Handschuhe, Abzug, geschl. System, Lüften, Brandschutz)
TRGS
500
Schülerversuch, Schutzstufe 1
Datum:.........................
Unterschrift:.........................................
30
7.3.3 Gefährdungsbeurteilung Alkali-Mangan-Zelle
Geräte
Stativ mit Klemme und Muffe
kleines Becherglas
Papierhandtuch (4-lagig, Laborbedarf)
Pasteurpipette
Reagenzglasklammer
Elektromotor, Messgerät, Kabel, Krokodilklemmen
Chemikalien
Kalilauge c= 1 mol·L-1
Mangandioxid
Zinkblech-Elektrode
Eisenblech-Elektrode
Durchführung
1. Die Elektroden werden blank geschmirgelt
2. Es wird eine Mischung aus 1 mL Kalilauge und 1,5 g Braunstein angerührt
3. Die Eisenelektrode wird dünn mit der Mischung bestrichen, darauf wird eine Lage
des vierlagigen Papiers gelegt, dieses wird mit Kalilauge gut befeuchtet, hierauf
wird die Zinkelektrode gelegt. Es ist sinnvoll, die beiden Elektroden im 90°-Winkel
aufeinanderzulegen, da sich dann problemlos die Spannung messen lässt.
4. Die Batterie wird mit der RG-Klammer zusammengehalten und dann in eine Stativklemme fest eingespannt (die RG-Klammer fungiert vor allem als Isolator)
5. Die Spannung wird gemessen, es kann eine Entladekurve aufgenommen werden,
hierzu wird parallel ein kleiner Elektromotor oder ein Widerstand geschaltet.
weitere Sicherheitshinweise
Entsorgung
Geräte
Chemikalien
Durchführung
C
Xn
R:
R:
R:
R:
22-35
20/22
-
S:
S:
S:
S:
(1/2)-26-36/37/39-45
(2)-25
-
Feststoffabfall
Substitutions-Prüfung nicht erforderlich.
Gefahren durch Einatmen oder Hautkontakt mit dem Schema 1 (Heft 3, Seite 25 f) geprüft:
keine.
Brand- oder Explosionsgefahr mit Schema II (Heft 3, Seite27) geprüft: keine
Sonstige Gefahren mit Schema III (Heft 3, Seite 28) geprüft: keine
Maßnahmen: (Symbole bedeuten: Mindeststandards, Schutzbrille, Handschuhe, Abzug, geschl. System, Lüften, Brandschutz)
TRGS
500
Schülerversuch, Schutzstufe 1
Datum:.........................
Unterschrift:.........................................
31
7.3.4 Gefährdungsbeurteilung Autobatterie (Blei-Akkumulator)
Geräte
Becherglas 50 mL
2 Bleibleche
Spannungsquelle, Kabel, 2 Krokodilklemmen, Verbraucher (z.B. kleiner Elektromotor)
Chemikalien
Schwefelsäure c = ca. 2 mol·L-1 Xi
(Batteriesäure, siehe Entsorgung)
Durchführung
R: 36/38
S: 26-30-45
1. Es wird eine Spannung von 2,5 V für etwa 2 Minuten angelegt.
Nach dem Abschalten der Spannungsquelle werden die Elektroden
a.
über ein Voltmeter
b.
über den Verbraucher (Glühbirnchen bzw. Elektromotor)
miteinander verbunden
Der Versuch wird mehrfach wiederholt, dabei reicht es, wenn die Spannung jeweils
nur für 1 min angelegt wird.
3. Es wird für ca. 1 min eine Spannung von 4 V angelegt.
2.
Substitutions-Prüfung durchgeführt, keine Substitution möglich.
Gefahren durch Einatmen oder Hautkontakt mit dem Schema 1 (Heft 3, Seite 25 f) geprüft:
Bleistäube sind als erbgutschädigend und reproduktionstoxisch eingestuft, aus diesem Grund dürfen die Bleche keinesfalls geschmirgelt werden und sollten auch nach Möglichkeit nicht mit den
Händen angefasst werden, diese sind ansonsten unmittelbar zu waschen.
Die Schwefelsäure wird in einer speziell beschrifteten Flasche (Schwefelsäure für Bleiakku) aufbewahrt und kann immer wiederverwertet werden. Sie darf keinesfalls in den Ausguss gegeben werden!
Brand- oder Explosionsgefahr mit Schema II (Heft 3, Seite27) geprüft: keine
Sonstige Gefahren mit Schema III (Heft 3, Seite 28) geprüft: Abwassergefährdung, Entsorgung
beachten!
Maßnahmen: (Symbole bedeuten: Mindeststandards, Schutzbrille, Handschuhe, Abzug, geschl. System, Lüften, Brandschutz)
TRGS
500
Schülerversuch, Schutzstufe 1
Datum:.........................
Unterschrift:.........................................
32
7.3.5 Gefährdungsbeurteilung Nickel-Cadmium-Akku (NiCd)
Geräte
Becherglas 50 mL
Nickelnetz
Cadmiumblech
Spannungsquelle, Kabel, 2 Krokodilklemmen, Verbraucher (z.B. kleiner
Elektromotor), Universalmessgerät
Chemikalien
Kalilauge c = 5 mol·L-1
Durchführung
C
R: 35
S: 26-36/37/39-45
1. Die Nickelelektrode wird an den Plus-Pol der Spannungsquelle, das
Cadmiumblech an den Minuspol angeschlossen. Es wird 2 min mit
U = 2 V elektrolysiert (Elektrolyt: Kalilauge).
2. Die Nickel- und die Cadmiumelektrode werden über das Universalmessgerät miteinander verbunden, die Spannung gemessen und die
Polung beobachtet.
3. Nach erneutem Elektrolysieren wird ein Verbraucher angeschlossen.
Substitutions-Prüfung durchgeführt, keine Substitution möglich.
Gefahren durch Einatmen oder Hautkontakt mit dem Schema 1 (Heft 3, Seite 25 f) geprüft:
Cadmiumstäube sind als krebserregend, erbgutschädigend und reproduktionstoxisch sowie sehr
giftig eingestuft, aus diesem Grund dürfen die Bleche keinesfalls geschmirgelt werden und sollten
auch nach Möglichkeit nicht mit den Händen angefasst werden, diese sind ansonsten unmittelbar
zu waschen.
Die Nickelnetzelektrode sollte nicht mit der Haut in Berührung kommen, da Nickel ein Kontaktallergen ist.
Die Kalilauge wird in einer speziell beschrifteten Flasche (Kalilauge für NiCd-Akku) aufbewahrt und
kann immer wiederverwertet werden. Sie darf keinesfalls in den Ausguss gegeben werden!
Brand- oder Explosionsgefahr mit Schema II (Heft 3, Seite27) geprüft: keine
Sonstige Gefahren mit Schema III (Heft 3, Seite 28) geprüft: Abwassergefährdung, Entsorgung
beachten!
Maßnahmen: (Symbole bedeuten: Mindeststandards, Schutzbrille, Handschuhe, Abzug, geschl. System, Lüften, Brandschutz)
TRGS
500
Lehrer-Demonstrationsversuch, Schutzstufe 2
Datum:.........................
Unterschrift:.........................................
33
7.3.6 Gefährdungsbeurteilung Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (NiMH)
Geräte
Becherglas 50 mL
Nickelnetz (in Elektrochemiekästen enthalten, i.d.R. palladiniert)
Platinelektrode
Stromquelle, Universalmessgerät, 2 Kabel, Krokodilklemme
Kalilauge c = 5 mol·L-1
C
R: 35
S: 26-36/37/39-45
1. Die Elektroden werden in ein Becherglas mit 25 mL Kalilauge gestellt, dabei sollte die Nickelelektrode wegen möglicher Kontaktallergien nicht mit der Hand angefasst werden.
2. Es wird ca. 2 min bei 2 V elektrolysiert, dabei wird das Nickelnetz als
Anode (Plus-Pol) und die Platinelektrode als Kathode (Minus-Pol) geschaltet.
3. Die Kabel werden von der Spannungsquelle getrennt und mit dem Universalmessgerät (Messbereich: 2V =) verbunden.
4. Es wird eine Entladekurve aufgenommen (Spannung gegen Zeit, Intervalle: zu Beginn 30 s, später 5 min)
Chemikalien
Durchführung
Entsorgung
Schwermetallsalzhaltige Lösungen bzw. Wiederverwendung
Substitutions-Prüfung durchgeführt, keine Substitution möglich.
Gefahren durch Einatmen oder Hautkontakt mit dem Schema 1 (Heft 3, Seite 25 f) geprüft:
Brand- oder Explosionsgefahr mit Schema II (Heft 3, Seite27) geprüft: keine
Sonstige Gefahren mit Schema III (Heft 3, Seite 28) geprüft: Abwassergefährdung, Entsorgung
beachten!
Die Nickelnetzelektrode sollte nicht mit der Haut in Berührung kommen, da Nickel ein Kontaktallergen ist.
Maßnahmen:
(Symbole bedeuten: Mindeststandards, Schutzbrille, Handschuhe, Abzug, geschl. System, Lüften, Brandschutz)
TRGS
500
Schülerversuch, Schutzstufe 2
Datum:.........................
Unterschrift:.........................................