Galvanische Elemente Dissoziation

Galvanische Elemente
Galvanische (Galvani ital.Physiker) Elemente wandeln chemische Energie in elektrische Energie
um. Sie bestehen aus zwei Elektroden (Anode, Kathode) und einer elektrisch leitenden Flüssigkeit,
dem Elektrolyt, welches eine wässrige Lösung von Säuren, Salzen und Basen ist.
Die elektrische Energie wird durch Ionen transportiert. Ionen sind elektrisch geladene Atome bzw.
Kathode (-)
Anode (+)
Elektrolyt
Atomgruppen. Kennzeichnend ist die so genannte Ionenbindung.
NaCl – Molekül ist nach außen hin elektrisch neutral. Na besitzt 1 Valenzelektron (1 e auf der
äußeren Schale (Energieniveau). Es kann daher 1 e zur Verfügung stellen, um Edelgaszustand zu
Cl
Na
erreichen (gesättigte Außenschale). Chlor (Cl) verfügt an der äußersten Schale 7 Valenzelektronen.
Es kann daher, um Edelgaszustand (8 e) zu erreichen, ein Elektron aufnehmen.
Na gibt ein Elektron ab, es erhält eine positive elektrische Ladung. Es wird zu einem positiven Ion.
Cl nimmt ein Elektron auf, es erhält eine negative elektrische Ladung. Es wird zu einem negativen
Ion. Beide Atome bilden dann ein chemisch stabiles Molekül, welches, wie schon erwähnt, nach
außen hin elektrisch neutral ist. Diese Art der chemischen Bindung wird als Ionenbindung
bezeichnet.
Dissoziation
Wassermolekül
H
O
105,00°
H
Ein Wassermolekül besteht aus 2 Wasserstoff (H) – Atomen und einem Sauerstoff (O) – Atom.
Durch die Anordnung der drei Atome entsteht ein so genannter elektrischer Dipol.
Nach außen hin sind Dipole elektrisch neutral. Sie besitzen aber im Inneren einen positiven und
einen negativen Schwerpunkt.
Es ist daher in einer Kochsalzlösung möglich, dass sich die Wassermoleküle an die Na und Cl-Ionen
anlagern. So kommt es zur Trennung in Na-Ionen und Cl-Ionen. Im Wasser zerfallen daher die
Salzmoleküle in seine Ionen. Diese Trennung in seine einfacheren chemischen Bestandteile
bezeichnet man Dissoziation. Der Elektrolyt wird elektrisch leitend. Reines Wasser bzw. trockenes
Kochsalz ist nicht elektrisch leitend.
Stromleitung in Flüssigkeiten
Wie schon oben erwähnt, erfolgt der Transport elektrischer Energie durch Ionen. Anionen sind
Ionen, die zur Anode wandern, Kathionen wandern zur Kathode. Unter Elektrolyse versteht man
die Zersetzung eines Elektrolyten durch den elektrischen Strom.
Anwendung der Elektrolyse





Metallgewinnung
Elektrolytkupfer
Aluminiumgewinnung
Galvanisieren
Aufladen eines Blei-Akkus
Spannungsreihe
Unedle Metalle besitzen gegenüber Wasserstoff ein negatives elektrisches Potential. Wasserstoff
bildet das Bezugselement. Es besitzt ein Null-Potential.
Alle edlen (halb edle) Metalle und Kohlenstoff haben gegenüber Wasserstoff ein positives Potential.
Daraus ergibt sich eine elektrochemische Spannungsreihe.
Lithium hat das größte negative Potential (- 3,04V) und Gold das größte positive Potenzial (+ 1,5V)
Einige Werte:
Werkstoff
Lithium
Natrium
Aluminium
Zink
Eisen
Nickel
Blei
Wasserstoff
Kupfer
Kohle
Silber
Platin
chem. Symbol Potential in V
-3,05
Li
Na
-2,71
Al
-1,66
-0,76
Zk
Fe
-0,45
Ni
-0,26
Pb
-0,13
H
0,00
0,34
Cu
C
0,74
0,80
Ag
1,20
Pt
Das Faradaysche Gesetz:
Beim Transport der Energie durch die Ladungsträger im Elektrolyt, sind diese an Materie gebunden
und eine bestimmte Menge an Ladung und Materie wird durch die Ionen transportiert. Es wird an
den Elektroden eine bestimmte Stoffmenge umgesetzt, die proportional zur hindurch geflossenen
Elektrizitätsmenge ist. Dieses Gesetz erkannte Faraday (engl. Physiker).
m=k.Q=k.I.t
m = Masse in kg
k = elektrochemisches Äquvalent in kg/C
Q = Elektrizitätsmenge in C (Culomb)
I = Stromstärke in A
t = Zeit in Sekunden (s)
1 g
10 −6 kg
kH =
=
(chem. Äquivalent von Wasserstoff).
96500 C
96,5 C
Versuche haben ergeben, dass 1g Wasserstoff eine Ladung von 96 500 C transportiert.
Wenn also bei Sauerstoff (O2) die 16-fache Masse und die doppelte Ladung transportiert wird,
appliziert das für Sauerstoff, dass
16
16
1 g
kO =
. kH =
.
2
2
96500 C
Allgemein könnte man dann für das chemische Äquivalent schreiben:
k=
1 g
.
96500 C
Ar
=
n
10 −6 kg
.
96,5 C
Ar
n
Ar = relative Atommasse
n = Wertigkeit
Ar
= Äquivalentmasse
n
Ein praktisches Beispiel soll diesen Zusammenhang ein wenig veranschaulichen:
Welche Zeit ist notwendig, um mit 5A aus einer Kupfervitriollösung 1g Cu auszuscheiden?
m = k . Q = k . I . t -----> Gleich nach t umformen
m
----> jetzt für k, m und I einsetzen.
k. I
kg
0,0001
1
kg .
t=
= 607,2 s = 10min 7 s
−6 .
5A
0,32938.10
As
10 kg
Der Wert 0,32938 .
ist das chemische Äquivalent für Kupfer. Dieser Wert wurde aus einer
−6 C
Tabelle entnommen.
t=
Primärelemente


Zink – Kohle (Leclanché) – Element: Liefert 1,5 V Spannung:
Zn – H:
-0,76 V (Spannungsreihe)
C – H: +0,74 V (Spannungsreihe)
Zink – Kohle : +0,74 V - (-0,76 V) = 1,5V
Alkali-Mangan-Zelle
Besitzt einen alkalischen Elektrolyten (KOH – Kalilauge) und liefert ca. 1,5 V.
H2O
2H
H2
1/2 O 2
2OH
H2O
Anode
2e
2e
Kathode
Silber-Oxid-Zink-Zelle:
Als Anode wird Silberoxid verwendet. Der Elektrolyt ist eine alkalische Lösung (KOH –
Kalilauge). Die Kathode besteht aus Zink (Zn). Diese Zelle liefert ca. 1,55 V. Sie findet sehr
häufig ihre Anwendung, weil sie auslaufsicher ist.
Weitere Eigenschaften sind hohe Kapazität und geringe Selbstentladung.
 Lithium-Zelle:
Diese Zelle liefert die höchste Spannung und weist auch die höchste Energiedichte auf. Lithium
besitzt gegenüber Wasserstoff das höchste negative Potential (-3,05 V). Verwendung finden sie als
Rund-und Knopfzellen, sowie zur Montage auf Leiterplatten. Sie besitzen eine geringe
Selbstentladung und haben eine sehr hohe Lebensdauer (10 Jahre). Wegen des großen
Temperaturbereiches, in dem sie eingesetzt werden (-500 C - +800C), werden sie zur
Langzeitversorgung von mikroelektronischen Schaltungen eingesetzt.
im Stand-by-Betrieb müssen sie vor Ladeströmen geschützt werden.


Brennstoffzelle (engl. Fuel cell):
In der Energieversorgung wird die Brennstoffzelle noch ein wesentlicher Bestandteil der Wirtschaft
sein. Während beim Kohle-Zink-Element der Brennstoff Zink bereits in der Zelle vorhanden ist,
muss er bei der Brennstoffzelle ständig von außen zugeführt werden.
Elektrische
Energie
Aufladen
Chemische
Energie
Entladen
Chemische
Energie
Elektrische
Energie
Der Vorgang in der so genannten Wasserstoff-Sauerstoff-(Knallgas)-Zelle ist die Umkehrung der
Wasserelektrolyse. Der Vorteil ist, dass sich die Elektroden nicht verbrauchen und dass diese Form
der Energieumwandlung umweltschonend ist. Es muss lediglich das
entstehende Wasser
abgeleitet werden.
Der Wirkungsgrad bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen liegt bei ca. 40%, hingegen bei
Hochtemperatur-Brennstoffzellen bei 50%. Die Betriebstemperatur beträgt ca. von 6500C bis
10000C. Dazu ergeben sich noch bei der Abwärmenutzung weitere 40%, sodass ein
Gesamtwirkungsgrad von ca 90% erreicht wird.

Lithium-Schwefeldioxid-Element:
Liefert ca. 3 V Spannung (Leerlaufspannung), wobei die effektive Spannung bei 2,9 V liegt.
Diese Element besitzt einen sehr hohen Wirkungsgrad.
Eigenschaften: sehr hohe Lagerfähigkeit (10 Jahre bei Raumtemperatur)
Wird sehr häufig bei militärischem Gerät ein gesetzt.
Sekundärelemente
Während Primärelemente für den einmaligen Gebrauch sind, können Sekundärelemente mehrmals
verwendet werden. Darunter würde man verstehen, dass sie nach dem Entladen wieder aufgeladen
werden können. Solche Elemente bezeichnet man Akkumulatoren kurz Akkus bzw. Sammler.
Es gibt also einen Entlade-und einen Auflade-Vorgang.
Beim Ladevorgang wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Beim EntladeVorgang tritt der umgekehrte Prozess ein. Chemischer Energie wird in elektrische Energie
umgewandelt.
Der bekannteste Akku ist der Blei-Akku (Pb)
Prinzip
Das Vermögen, Energie zu speichern, was als Kapazität bezeichnet wird, wird in Amperestunden
(Ah) angegeben. Die Kapazität ist groß, wenn ein kleiner Ladestrom fließt. Q = I . t
Mit dem Aerometer (Senkwaage) wird die Säuredichte (30%-ige H2SO4) festgestellt und gemessen.
Die kleinste Entladespannung beim Pb-Akkus ist 1,8 V.
Beim Ladevorgang sollten einige Punkte beachtet werden:
 Normalladung: Der Pb-Akku wird in ca 10 Stunden aufgeladen. Die Spannung in der Zelle
steigt auf 2,7 V an. Bei 2,4 V beginnt die Zelle zu gasen. Es entsteht Wasserstoff (H2)und
Sauerstoff (O), welches ein hochexplosives Gas (Knallgas) bildet. Daher sollte beim Laden
offenes Feuer und Licht vermieden werden. Man sollte auch nicht rauchen.
Wie wird nun die erforderliche Ladespannung ermitteltß
UL = n . 2,75 V;
n = Zellenanzahl.
Zu beachten ist auch, dass die Verschlusskappen der Zellbehälter vor dem Laden entfernt
werden müssen, damit die Gasungsprodukte entweichen können. Fehlende Flüssigkeit wird
durch destilliertes Wasser ergänzt.
Pb-Akkus werden in Fahrzeugen zur elektrischen Energieversorgung eingesetzt und haben
bei sorgsamer Pflege eine Lebensdauer von ca. 4 Jahren.
Da in Pb-Akkus verdünnte Schwefelsäure (H2SO4 ) verwendet ist und die ätzend ist, ist
Vorsicht geboten. Weiters sollte man auf das stark hygroskopische Verhalten der Säure
achten. (zieht Wasser stark an).
Ein wichtiger Begriff ist der Memory-Effekt, der große Beachtung finden sollte. Man versteht
darunter das Absinken der nutzbaren Kapazität (C), welche durch unvollständiges Entladen bzw.
lange Ladezyklen mit kleinen Strömen verursacht wird. Grundsätzlich sollte ein Akku erst
aufgeladen werden, wenn das elektrische Gerät nicht mehr betrieben werden kann.