Chemie Zusammenfassung 26.04.10

Chemie
Zusammenfassung
Mark Kremer
28.04.10
Elektrolyse und Galvanische Zelle
als Anwendung bei Primär- sowie Sekundärelementen
Volta Element
Wie bei der Maschenregel ergibt sich beim Hintereinanderschalten der
Spannungsquellen U ges  U 1  U 2  U 3
Elektrische Arbeit definiert sich wie folgt: Wel  P  T  U  I  T , es gilt: Wel   1Kwh
1KWh  3,6  10 6 J
Primärzellen
Primärzellen bzw. Primärelemente sind Spannungsquellen, welche nicht wiederaufladbar
sind.
Zink – Luft Batterie:
Minuspol: Zinkpulver
Pluspol: luftdurchlässige, mehrschichtige Gasdiffusionselektrode
Hauptreaktionen:
Minuspol:
2Zn( s ) 
 2Zn(2aq )  4e 
Pluspol:
O2( g )  2 H 2 O(l )  4e  
 4OH (aq)
Nebenreaktion:
Zn(2aq )  4OH (aq) 
 Zn(OH ) 24
Lithium Batterie
Minuspol: Lithiumperchlorat (LiClO4)
Pluspol: Mangan(IV)-oxid (MnO2) oder Kupfersulfid oder Silberchlorid
Hauptreaktionen:
Minuspol:
Li( s) 
 Li   e 
Pluspol:
Li   e   Mn O2( s ) 
 Li Mn O2( s )
 IV
 III
Sekundärelemente
Sekundärelemente sind, im Gegensatz zu Primärelementen, wiederaufladbar, wobei die Anzahl der
Wiederaufladungen begrenzt sind.
Beim Sekundärelement findet Elektrolyse statt:
-1-
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Mark Kremer
28.04.10
Fakten
-
Chemische Zerlegung von Stoffen durch das anlegen einer Spannung
Es ist eine erzwungene chemische Reaktion
Endothermer Verlauf
Elektrische Leitfähigkeit durch den Ladungstransport der freibeweglichen
hydratisierten Elektronen
Damit eine Reaktion stattfinden kann, muss eine gewisse Spannung (Energie)
aufgebracht werden, sog. Zersetzungsspannung
Ablauf
-
-
Ein Gleichstrom wird an zwei Elektroden, getaucht in eine leitfähige Flüssigkeit
(Elektrolyt) angelegt
es findet eine Redoxreaktion statt
o Redoxreaktion: Chemische Reaktion bei der gleichzeitig Elektronen
abgegeben und aufgenommen werden
An der Anode findet eine Oxidation statt (Elektronenabgabe)
An der Kathode findet eine Reduktion statt (Elektronenaufnahme)
Der Blei-Akku
Die Hauptsächliche Verwendung ist als Autobatterie, da zum Starten ein hoher Strom benötigt
wird, weshalb zudem die Oberfläche sehr groß ist.
Durch die Temperatur wird die Leistung ebenso gemindert, da durch die geringe
Ionenbeweglichkeit und der Verlangsamung der Reaktion der Innenwiederstand steigt.
Beim Entladevorgang laufen die Reaktion wie bei einem Galvanischem Element ab:
Anode (Oxidation): Pb( s )  SO42(aq) 
 PbSO4( s )  2e 
 IV
 II VI  II
Kathode (Reduktion): Pb O2( s )  SO42(aq)  4H (aq)  2e  
 Pb S O 4( s )  2H 2 O(l )
Beim Aufladen werden die Reaktionen umgekehrt:
 II VI  II
 IV
Anode (Oxidation): Pb S O 4( s )  2H 2 O(l ) 
 Pb O2( s )  SO42(aq)  4H (aq)  2e 
Kathode (Reduktion): PbSO4( s )  2e  
 Pb( s )  SO42(aq)
Redoxpotential des Bleiakkus
Nernst Gleichung für die Anode (Aufladen):
 
 PbO   H SO   H 
0,059V
2
2
4
E A  E ( Pb( II ) / Pb( IV )) 
log 


2
PbSO
4

0
-2-
2




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Mark Kremer
28.04.10
Nernst Gleichung für die Kathode (Aufladen):
 
 PbSO   H  2 
0,059V
4

E K  E ( Pb(0) / Pb( II )) 
log 


2
 H 2 SO4   Pb 
0
Merke: Da Pb , PbSO4 und PbO2 Festkörper sind, sind sie Konzentrationsunabhängig,
also ist die Aktivität 1.
 
0,059V

E   E 0 ( Pb( II ) / Pb( IV )) 
log H 
2

E  E 0  0,059  log H 2 SO4 V
2

 
 H  2 
0,059V
  0

 H 2 SO4    E ( Pb(0) / Pb( II )) 
log 
 H 2 SO4   
2
 


Zersetzungsspannung

Zum zersetzen eines Materials braucht man eine Zersetzungsspannung, weicht die
Spannung von der erwarteten Spannung ab, so nennt man die Überspannung oder
Überpotential.
Die Überspannung [EÜ] ist von folgenden Foktore abhängig:
1. Die Stromdichte [J] in A cm²
2. Es bildet sich eine Gegenspannung (Polarisationsspannung) durch z.B. die
Reaktion mit Hydronium Ionen bei bereits niedrigen Spannungen
3. Der Weg/Durchtritt der Elektronen von der Elektrodenoberfläche bis an den Rand
der Schicht der bereits entladenen Gasatome ist land, was einen hohe Widerstand
zur Folge hat.
Bei Metallen ist die Überspannung gering, da keine „Sperrschicht“ entsteht.
Es gilt:
Das tatsächliche Abscheidungspotential EA
EA = E(Red/Ox) + EÜ
Zersetzungsspannung:
UZ = EA (Anode/Pluspol) – EA (Kathode/Minuspol)
Merke: Es läuft der Gesamtvorgang ab, welcher die kleinste Zersetzungsspannung
erfordert
Entladungsstrom
Entnehmbare Elektrizitätsmenge eines Akkumulators. Entladedauer tn, zugehöriger Entladestrom In,
Dichte und Temperatur des Elektrolyten sind für Kn festgelegt. Die Entladeschlussspannung Us wird
dann nicht unterschritten. Es bedeutet z.B. K20= 44Ah, dass 20h lang eine Stromstärke von 2,2 A
entnommen werden kann ( 20h  2,2 A  44 Ah )
Es gilt für I = konstant
I t  Q
[Q] = As
-3-