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Batterien und Akkumulatoren – die Verwendung der galvanischen Zelle 06:56 min

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Transkript Batterien und Akkumulatoren – die Verwendung der galvanischen Zelle

Batterien und Akkumulatoren - die Verwendung der galvanischen Zelle

Hallo! Hast du dich schon einmal gefragt wie es dazu kommt, dass dein Telefon ohne direkte Stromzufuhr funktioniert? Sicher weißt du, dass in jedem Telefon ein Akku steckt und dieser das Telefon eine gewisse Zeit mit Strom versorgt.

Aber wie funktioniert dieser Akkumulator und warum kann man ihn immer wieder aufladen? Nun befinden sich ja in manchen Geräten keine Akkumulatoren, sondern gewöhnliche Batterien. Diese lassen sich aber nicht wieder aufladen. Warum ist dies nicht möglich? Mit diesen ganzen Fragen wollen wir uns heute einmal genauer auseinandersetzen.

Als erstes wollen wir uns die Funktion ansehen. Du solltest wissen, dass es sich bei Batterien und Akkumulatoren um Energiespeicher handelt. Sie sind also in der Lage, bei Bedarf elektrische Energie gezielt abzugeben.

Wie funktioniert das aber? Du musst wissen, dass sowohl Batterien als auch Akkumulatoren galvanische Elemente sind. Damit du alles gut verstehen kannst, wollen wir erst einmal besprechen was ein galvanisches Element eigentlich ist.

Ein bekanntes Beispiel für ein galvanisches Element ist das Daniell-Element. Hier tauchen eine Kupfer- und eine Zink-Elektrode jeweils in eine Zinksulfatlösung und eine Kupfersulfatlösung. Durch das unterschiedliche Bestreben der beiden Metalle in der Elektrolytlösung Ionen zu bilden, kommt es zu einem Redoxprozess. Das Zink ist das unedlere Metall und wird somit oxidiert. Es bilden sich aus elementarem Zink, zweiwertige Zink-Kationen. Kupfer ist das edlere Metal und so werden die zweiwertigen Kupfer-Kationen, welche sich in Lösung befinden, zu elementarem Kupfer reduziert.

Da die beiden Halbzellen miteinander verbunden sind, wird ein Stromkreis geschlossen. Dadurch wird ein elektrischer Stromfluss mit einer messbaren Spannung erzeugt. Grundsätzlich ist die Spannung abhängig von den beiden verwendeten Metallen.

Nun ist der Prozess, der in einem galvanischen Element abläuft, ein freiwillig ablaufender Prozess. Er läuft so lange ab, bis sich das galvanische Element vollständig entladen hat. Wenn es zu einer Entladung gekommen ist, fließt also auch kein elektrischer Strom mehr. Der Akkumulator oder die Batterie sind dann leer. Nun kann man den Akkumulator wieder aufladen, die Batterie aber nicht. Wir wollen uns an zwei Beispielen ansehen warum das so ist.

Bei normalen Batterien handelt es sich um so genannte Primärzellen. Das Problem daran ist, dass sich die, bei der Entladung ablaufenden Redoxprozesse nicht umkehren lassen. Aus diesem Grund können Batterien nicht wieder aufgeladen werden.

Sehen wir uns dazu das Beispiel der Alkali-Mangan-Batterie an. Diese Batterie liefert eine Spannung von 1,5 Volt. Die Hülle der Batterie besteht aus Stahl, welcher nicht an der Reaktion teilnimmt. Außerdem ist sie aus einer Zinkanode und eine Kathode aus einem Mangandioxid-Graphit-Gemisch aufgebaut. Als Elektrolyt wird eine Kaliumhydroxid-Lösung verwendet. Die Redoxprozesse, die während des Entladeprozesses ablaufen, sehen folgendermaßen aus.

Elementares Zink gibt zwei Elektronen ab , sodass ein zweiwertiges Zink-Kation entsteht. Zink wird hier also oxidiert. Es wird aber auch vierwertiges Mangan durch die Aufnahme eines Elektrons in dreiwertiges Mangan überführt. Hier findet eine Reduktion statt. Du siehst also, dass es sich hierbei um Redoxprozesse handelt, die beim Entladen der Batterie ablaufen.

Nun finden bei unserer Alkali-Mangan-Batterie aber auch noch einige Nebenreaktionen statt. Diese sind nicht umkehrbar und das ist der Grund, warum du diese Batterie nicht wieder aufladen kannst.

Schauen wir uns im Gegensatz dazu die Akkumulatoren an. Akkumulatoren sind so genannte Sekundärzellen. Die Redoxprozesse, die während des Entladens eines Akkumulators ablaufen, sind umkehrbar. Das bedeutet, dass du während des Aufladens die Prozesse umkehrst bis der Akkumulator wieder voll aufgeladen ist und ihn dann wieder entladen kannst.

Schauen wir uns nun den Bleiakkumulator an. Da es sich hier um einen Akkumulator handelt, können wir davon ausgehen, dass wir ihn nach Entladung wieder aufladen können. Der Akkumulator besteht aus einer Bleielektrode und einer Bleioxidelektrode, die in einer Elektrolytlösung aus Schwefelsäure stecken. Während des Entladungsprozesses bildet sich eine Schicht aus Bleisulfat an beiden Elektroden.

Schauen wir uns nun an, welche Reaktionen genau beim Entladungsprozess an den Elektroden statt finden. Zum einen wird elementares Blei oxidiert indem es zwei Elektronen abgibt und zu einem zweiwertigen Blei-Kation wird.

Die Reduktion verläuft folgendermaßen. Bleidioxid, in welchem das Blei die Oxidationsstufe 4 hat, wird reduziert und es entsteht wieder ein zweiwertiges Blei-Kation. Dieser Redoxprozess ist umkehrbar. Du kannst also den Bleiakkumulator immer wieder aufladen, wobei aus den Bleisulfatschichten wieder elementares Blei und Bleioxid entsteht.

Du hast heute gelernt, dass eine Batterie und ein Akkumulator nach dem Prinzip eines galvanischen Elements funktionieren. Du weißt nun, dass du einen Akkumulator immer wieder aufladen kannst weil die Redoxprozesse die während des Entladens auftreten umkehrbar sind. Bei einer Batterie ist das nicht möglich, weil sich die Prozesse nicht umkehren lassen. Nun kannst du dir vielleicht auch besser vorstellen wie der Akku in deinem Telefon oder in anderen Geräten funktioniert.

Tschüß und bis bald!

5 Kommentare
  1. Um komplexe Prozesse in einer Batterie oder bei einer Elektrolyse zu verstehen, muss man Redoxreaktionen verstehen. Die Videos aus dem Thema "Oxidation und Reduktion" können dir vielleicht weiter helfen
    https://www.sofatutor.com/chemie/anorganische-verbindungen-eigenschaften-und-reaktionen/redoxreaktionen/oxidation-und-reduktion

    Viele Grüße aus der Redaktion!

    Von Bianca Blankschein, vor fast 2 Jahren
  2. Ich hab nichts verstanden :(

    Von Uschierhorn, vor fast 2 Jahren
  3. Ich danke herzlichst für dieses Video! Hat mir sehr geholfen, vielen Dank! Gerne mehr Videos zu Abi-Themen. LG

    Von C Valanti K, vor mehr als 3 Jahren
  4. Hallo,

    die Gleichung der Reduktion ist vollkommen richtig. Aus Blei in der Oxidationsstufe +IV wird Blei in der Oxidationsstufe +II. Dazu werden zwei Elektronen aufgenommen. Die Oxidationsstufe des Sauerstoffs bleibt unverändert bei -II.
    Viel Spaß auch weiterhin an der Chemie!

    Von Bianca Blankschein, vor mehr als 4 Jahren
  5. 6:00
    entseht da nicht 2O^- und nicht 2O^2-? Sonst würde das nicht aufgehen von den Elektronen her

    Von R Springorum, vor mehr als 4 Jahren

Batterien und Akkumulatoren – die Verwendung der galvanischen Zelle Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Batterien und Akkumulatoren – die Verwendung der galvanischen Zelle kannst du es wiederholen und üben.

  • Unterscheide zwischen Akkumulator und Batterie.

    Tipps

    Das Kurzwort für Akkumulator ist Akku.

    Überlege dir, in welchen Geräten wohl Akkumulatoren enthalten sind und in welchen Batterien.

    Lösung

    Akkumulatoren und Batterien sind Energiespeicher, die elektrische Energie gezielt abgeben können. Beide sind galvanische Elemente, die sich aber unterscheiden. Die Redoxprozesse, die in einer Batterie ablaufen, sind nicht umkehrbar, weshalb die Batterie nicht wieder aufgeladen werden kann. Sie wird auch Primärzelle genannt. Bei einem Akkumulator ist das nicht so. Akkumulatoren sind Sekundärzellen und können wieder aufgeladen werden, da die ablaufenden Redoxprozesse umkehrbar sind. Ein Beispiel für einen Akkumulator ist die Autobatterie.

  • Erkläre, warum Batterien nicht wieder aufgeladen werden können.

    Tipps

    Überlege dir, was bei einem Akkumulator anders ist als bei einer Batterie.

    Lösung

    Batterien können nicht wieder aufgeladen werden, was daran liegt, dass die Reaktionen, die in ihr stattfinden, nicht umkehrbar sind. Dadurch wird das Aufladen verhindert. Ganz anders ist es beim Akkumulator. Dort sind alle Reaktionen umkehrbar und dadurch kann man ihn wieder aufladen.

    Vielleicht kennst du wiederaufladbare Batterien, die es im Laden zu kaufen gibt. Doch dies sind keineswegs Batterien. Vielmehr müssten sie Akkumulatoren heißen.

  • Vervollständige die Vorgänge eines Lithium-Ionen-Akkumulators.

    Tipps

    Erinnere dich an die Definition von Oxidation und Reduktion.

    Oxidation bedeutet Elektronenabgabe, während bei der Reduktion Elektronen aufgenommen werden.

    Bei einer Redoxgleichung ist es wichtig, dass die Reaktionen elektrisch ausgeglichen sind. Es dürfen also auf der rechten Seite nicht mehr oder weniger negative Ladungen als auf der linken Seite stehen.

    Lösung

    Bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator wird Lithium zu $Li^+$ oxidiert, während Mangan reduziert wird.

    Bei der Oxidation werden Elektronen abgegeben, bei der Reduktion aufgenommen.

    Gesamtgleichung: $Li_4 + 4~MnO_2 \rightarrow 4~LiMnO_2$

    Oxidation: $Li_4 \rightarrow 4~Li^+ + 4~e^-$

    Reduktion: $4~Mn^{4+} + 4~e^- \rightarrow 4~Mn^{3+}$

    Lithium-Ionen-Akkus versorgen tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, für die herkömmliche Akkus zu schwer oder zu groß wären. Dies sind beispielsweise Mobiltelefone, Digitalkameras, Camcorder oder Laptops sowie Elektro- und Hybridfahrzeuge.

  • Beschreibe das Daniell-Element.

    Tipps

    Das edlere Metall wird reduziert.

    Lösung

    Das Daniell-Element besteht aus zwei Metall-Elektroden. Die Zink-Elektrode und die Kupfer-Elektrode tauchen jeweils in Zinksulfat- und Kupfersulfat-Lösung ein.

    Die beiden Halbzellen der Elektroden sind durch eine Salzbrücke miteinander verbunden. Durch diese können die Ionen wandern. Durch das unterschiedliche Bestreben beider Metalle, in Elektrolytlösungen Ionen zu bilden, kommt es zu einem Redoxprozess. Dabei wird das unedlere Metall Zink von $Zn$ zu $Zn^{2+}$-Kationen oxidiert, während das edlere Metall Kupfer reduziert wird. Es entsteht an der Kupfer-Elektrode also weiteres Kupfer, während die Zink-Ionen in Lösung gehen.

    Da die beiden Halbzellen miteinander verbunden sind, wird ein Stromkreis geschlossen und die erzeugte Spannung kann gemessen werden. Dabei ist die erzeugte Spannung abhängig von den verwendeten Metallen. Die Redoxprozesse sind freiwillig ablaufende Reaktionen, die solange ablaufen, bis sich das galvanische Element vollständig entladen hat.

    Übrigens: Der britische Chemiker John Frederic Daniell entwickelte 1836 als Erster ein galvanisches Element genau zur richtigen Zeit, denn durch den steigenden Telegrafenverkehr der kurz zuvor eingeführten Telegrafenapparate wurden höhere Stromstärken und stärkere Leistungen der Stromquellen benötigt.

  • Erkläre die Zitronenbatterie.

    Tipps

    Erinnere dich: Wie war es beim Daniell-Element?

    Lösung

    Schaue dir die Abbildung an. Vom Strahl kannst du ablesen, welches Metall das unedlere und welches das edlere Element ist. Wie beim Daniell-Element ist auch hier Kupfer das edlere Element und wird reduziert. Deshalb werden an der Kupfer-Elektrode Kupfer-Ionen reduziert. Magnesium hingegen ist unedler und wird oxidiert. Magnesium-Ionen gehen in Lösung. Wenn du dir die Gleichungen aufschreibst, erkennst du, dass die Elektronen von Magnesium zu Kupfer wandern müssen. Daher fließt natürlich auch der Strom von Magnesium, dem Minus-Pol, zum Plus-Pol, der Kupfer-Elektrode. Dabei fließt der Strom durch die kleine Lampe und sie beginnt zu leuchten.

    Übrigens, auch mit einer Banane, einem Apfel oder einer Birne kann man fruchtigen Strom erzeugen.

  • Gib an, welche Redoxreaktionen freiwillig ablaufen und welche nicht.

    Tipps

    Schaue dir die elektrochemische Spannungsreihe an.

    Je positiver das Elektrodenpotential, umso edler ist das Element.

    Das edlere Element wird reduziert, während das unedlere Element oxidiert wird.

    Damit eine Redoxreaktion freiwillig ablaufen kann, muss das unedlere Element in seiner reduzierten Form diese Reaktion eingehen.

    Oxidation bedeutet Elektronenabgabe.

    Lösung

    Die Elektrochemische Spannungsreihe hilft dir, Voraussagen zu machen, ob eine Redoxreaktion freiwillig ablaufen wird oder nicht. Die Elektronen fließen immer vom unedleren zum edleren Element. Das unedlere Element wird also oxidiert (es gibt Elektronen ab) und das edlere Element reduziert (es nimmt Elektronen auf).

    Es ist also erstens wichtig, welches Element das edlere von beiden ist, und zweitens ist es wichtig, dass jeweils die richtige Form die Reaktion eingehen soll. Denn die oxidierte Form des unedleren Elements wird keine Reaktion freiwillig mit der reduzierten Form des edleren Elements eingehen.

    Schaue dir nun die angegebenen Reaktionen an und vergleiche mit der elektrochemischen Spannungsreihe, welches Element edler und das dazugehörige Elektrodenpotential somit positiver ist. Prüfe nun, ob das unedlere Element in seiner reduzierten Form die Reaktion eingehen soll. Ist dies der Fall, reagiert die Reaktion freiwillig, wie bei

    $Zn + Ag^+$

    $Fe + Cu^{2+}$

    $Cu^+ + Zn$.

    Ist dies nicht der Fall, verläuft diese Reaktion nicht freiwillig.