Anwendung der galvanischen Zelle – Batterien und Akkumulatoren

Anwendung der galvanischen Zelle – Batterien und Akkumulatoren Übung

• Beschrifte die galvanische Zelle.

  Tipps

  Zwischen Minus- und Pluspol kommt es zum Austausch von Elektronen.

  Eine Antwort ist falsch und bleibt übrig.

  Lösung

  Du sieht in der Abbildung ein typisches galvanisches Element, also ein Element, das chemische Energie in elektrische Energie umwandeln kann.

  Dabei reagieren zwei verschiedene Metalle in einer Redoxreaktion miteinander. Die Elektronen werden am unedleren Metall (z. B. Zink) abgegeben – es ist die Anode (Minuspol).

  Über einen äußeren Stromkreis fließen diese Elektronen zur Kathode (Pluspol, z. B. Kupfer), wo sie von Metallionen aufgenommen werden.

  So entsteht ein Stromfluss. Damit dieser dauerhaft möglich ist, verbindet eine Salzbrücke die beiden Halbzellen, damit Ionen nachströmen und ein Ladungsausgleich entsteht.

• Beschreibe das Prinzip der galvanischen Zelle (Daniell-Element).

  Tipps

  Hier siehst du die Oxidation der Zinkatome an der Zinkelektrode. Elektronen werden abgegeben.

  Hier siehst du die Reduktion der Kupferionen an der Kupferelektrode. Elektronen werden aufgenommen.

  Zwei Antworten sind falsch und bleiben übrig.

  Lösung

  Eine galvanische Zelle wie beispielsweise das Daniell-Element wandelt chemische Energie in elektrische Energie um.
  
  Voraussetzung dafür ist eine Redoxreaktion, bei der ein Metall Elektronen abgibt und die Ionen eines anderen Metalls diese Elektronen aufnehmen.
  
  Das unedlere Metall wirkt als Elektronendonator, das edlere MetalI als Elektronenakzeptor.
  
  Das Fließen der Elektronen zwischen den Metallen kannst du als elektrische Spannung messen. Sie ist umso höher, je weiter die Metalle in der Redoxreihe auseinanderstehen. Zwischen Zink und Kupfer beträgt sie 1,1 V.
  
  Die Oxidation (Elektronenabgabe) findet an der Zinkelektrode (Anode) statt, die Reduktion (Elektronenaufnahme) an den Kupferionen (Kathode) – diese Reaktionen laufen räumlich getrennt ab.

• Erkläre den Aufbau einer galvanischen Zelle (Daniell-Element) genauer.

  Tipps

  Eine galvanische Zelle (Daniell-Element) besteht aus zwei Halbzellen mit einem Zink- bzw. Kupferstab in einer Salzlösung.

  Beide Halbzellen sind über eine halb durchlässige Trennwand miteinander verbunden, die für Ionen ($\ce{SO4^{2-}}$) durchlässig ist und für den Ladungsausgleich sorgt.

  Lösung

  Das Daniell-Element ist ein klassisches Beispiel für eine galvanische Zelle. Es besteht aus den Metallen Zink und Kupfer, die jeweils als Elektroden dienen.
  
  Die Zinkelektrode (Anode) steht in einer Zinksulfatlösung, die Kupferelektrode (Kathode) in einer Kupfersulfatlösung. Beide Halbzellen sind räumlich getrennt, aber durch ein Diaphragma leitend verbunden.
  
  An der Anode gibt Zink Elektronen ab:
  
  $\ce{Zn -> Zn^{2+} + 2e^-}$
  
  Die entstandenen Zinkionen gehen in Lösung.
  
  Die Elektronen wandern durch den äußeren Leiter zur Kathode, wo Kupferionen die Elektronen aufnehmen:
  
  $\ce{Cu^{2+} + 2e^- -> Cu}$
  
  Dabei scheidet sich elementares Kupfer an der Elektrode ab.
  
  Das Diaphragma ermöglicht den Ionenausgleich: Sulfationen wandern zur Anode, um die dort entstehende positive Ladung durch die $\ce{Zn^{2+}}$-Ionen auszugleichen.
  
  Durch diese getrennt ablaufende Redoxreaktion entsteht ein Elektronenfluss, also elektrischer Strom.
  
  Das Daniell-Element liefert so lange Spannung, bis entweder das Zink verbraucht oder alle Kupferionen reduziert sind.

• Erläutere die Unterschiede zwischen Batterien und Akkumulatoren genauer.

  Tipps

  Hier siehst du einen Bleiakkumulator in einem Verbrennungsmotor, den du wieder aufladen kannst, wenn du ihn ans Stromnetz anschließt.

  Hier siehst du ein Beispiel für eine heutzutage häufig verwendete Primärzelle.

  Eine Antwort ist falsch und bleibt übrig.

  Lösung

  Batterien und Akkumulatoren (Akkus) sind praktische Anwendungen der galvanischen Zelle:
  
  

  • Batterien sind Primärzellen.
  • Primärzellen sind galvanische Zellen, die sich mit der Zeit entladen.
  • Akkumulatoren sind Sekundärzellen.
  • Sekundärzellen sind galvanische Zellen, die sich mehrfach auf- und entladen lassen.

  Beim Aufladen wird der ursprüngliche chemische Zustand durch Zufuhr elektrischer Energie wiederhergestellt.

  • Typische Beispiele für heutzutage häufig verwendete Batterien sind Alkaline.
  • Typische Beispiele für Bleiakkumulatoren sind sogenannte Autobatterien.

• Was beschreibt Batterien und was Akkus?

  Tipps

  Hier siehst du eine typische Primärzelle.

  Mit einer Sekundärzelle kannst du dein Handy immer wieder aufladen.

  Batterie und Akku haben eine Gemeinsamkeit.

  Lösung

  Batterien und Akkus begegnen dir im Alltag ständig – zum Beispiel in Fernbedienungen, Taschenlampen oder Smartphones.
  Beide beruhen auf dem Prinzip der galvanischen Zelle: Dabei wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
  Du kannst bei der galvanischen Zelle zwischen Primär- und Sekundärzellen unterscheiden:
  
  

  • Batterien sind sogenannte Primärzellen. Sie können sich nur einmal entladen und lassen sich nicht wieder aufladen.

  
  

  • Akkumulatoren (Akkus) sind Sekundärzellen. Sie lassen sich mehrfach auf- und entladen.

• Unterscheide die Anwendungen der galvanischen Zelle.

  Tipps

  Dein Handy enthält eine Sekundärzelle, die du immer wieder aufladen kannst.

  Für Akkumulatoren in Verbrennungsmotoren oder kleinen elektrischen Geräten wird oft fälschlicherweise der Begriff Batterie verwendet.

  Lösung

  Batterien sind typische Primärzellen – also Anwendungen der galvanischen Zelle, die sich nicht wieder aufladen lassen. Bekannte Beispiele sind:
  

  • ... das Daniell-Element,
  • ... die Zink-Kohle-Batterie und
  • ... die Alkaline-Batterie (Alkali-Mangan-Batterie).

  
  
  Akkumulatoren sind auch typische Sekundärzellen. Sie lassen sich mehrfach aufladen, indem die Redoxreaktion umgekehrt wird. Beispiele sind:
  

  • ... die Autobatterie (Bleiakkumulator in einem Verbrennungsmotor),
  • ... der Lithium-Ionen-Akku (Handy) und
  • ... die wiederaufladbare NiMH-Batterie (Nickel-Metallhydrid-Akku in kleinen elektrischen Geräten).