7.11. Elektrochemische Stromerzeugung (Seite 175 - 179)

Primärelement:    

nicht aufladbares galvanisches Element
(Beispiel: Leclanché-Element)

Sekundärelement:    

aufladbares galvanisches Element
(Beispiel: Bleiakkumulator)

a. Verschiedene Primärelemente (Seite 175 - 176 lesen)

Die Zink-Kohle-Batterie (Leclanché-Element) , die Alkali-Mangan-Batterie, die Zink-Silberoxid-Knopfzelle und die Lithium-Mangan-Batterie.

b. Die Zink-Luft-Knopfzelle, ein Primärelement

Anode:

Zinkpulver

Kathode:

Aktivkohle-Ruß-Gemisch welches mit Luft (Sauerstoff) in Verbindung steht

Elektrolytlösung:    

Kalilauge

0 +II
 Anode  Oxidation   ⊖-Pol   Zn        Zn2+* + 2 e-  | · 2    -1,20 V
0 -II
 Kathode**   Reduktion   ⊕-Pol  O2 + 2 H2O + 4 e-   ⇌   4 OH-(aq)    +0,40 V
2 Zn + O2 + 2 H2O2 Zn2+ + 4 OH- +1,60 V***
*  es ensteht eine Zn2+-Verbindung
**  läuft an der katalytisch wirksamen Aktivkohle ab
***  ΔE = 0,40 - (-1,20) = 1,60 V, aber durch Drosselung der Luftzufuhr wird ΔE auf etwa 1,4 V vermindert


Die Zink-Luft-Knopfzelle liefert eine Spannung von 1,4 Volt, sie wird in Hörgeräten benutzt.

c. Der Bleiakkumulator, ein Sekundärelement

- Aufbau des Bleiakkumulators:   

Zwei Sätze von parallel geschalteten Gitterplatten bilden einen Plattenblock, der in Schwefelsäure (H2SO4, w = 38%; ρ = 1,28 g/mL; θ = 20°C) taucht.
Die Platten des ersten Satzes sind mit fein verteiltem Blei, die Platten des zweiten Satzes mit Blei(IV)-oxid gefüllt.


- Entladung des Bleiakkumulators: es entsteht an beiden Elektroden das schwer lösliche Blei(II)-sulfat (Überzug auf den Elektroden und Bodensatz)










- Laden des Bleiakkumulators: aus Blei(II)-sulfat wird wieder eine Blei- und eine Blei(IV)-oxid-Elektrode aufgebaut:
+II +IV
 Anode   Oxidation   ⊕-Pol  PbSO4(s) + 5 H2O(l)    PbO2(s) + HSO4-(aq) + 3 H3O+(aq) + 2 e-
+II  0
 Kathode   Reduktion   ⊖-Pol  PbSO4(s) + 2 e-    Pb(s) + SO42-(aq)
2 PbSO4(s) + 2 H2O(l)Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(aq)

Während des Ladens wird Schwefelsäure hergestellt und Blei(II)-sulfat verbraucht:
n(H2SO4) wird größer, n(PbSO4) wird kleiner,
ρ(H2SO4) wird größer, da das Volumen konstant bleibt

    PbSO4/PbO2
    H2/H3O+            Aktivierungsenergie für die Bildung von H2 sehr hoch
    Pb/PbSO4
⇒ die Elektrolyse ist nur wegen der hohen Aktivierungsenergie zur Bildung von Wasserstoff möglich

Das Ende des Ladevorganges (nPbSO4 = 0) erkennt man am Gasen des Akkus: wenn das Blei(II)-sulfat aufgebraucht ist, bildet sich an der Kathode H2 und an der Anode O2 (Elektrolyse des Wassers).

d. Brennstoffzelle (Seite 179)

Eine Brennstoffzelle ist ein galvanisches Element, bei dem das Reduktionsmittel ("Brennstoff") und das Oxidationsmittel kontinuierlich von außen zugeführt werden.


Beispiel: Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle
H2 ist der Brennstoff, O2 ist das Oxidationsmittel, die Knallgasreaktion (stark exotherm) wird zur Stromerzeugung benutzt:
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l)        ΔHor = -572 kJ
In der Brennstoffzelle wird elektrische Energie anstatt Wärme gebildet.

- Aufbau:

Anode:

H2 und inerte Elektrode*

Kathode:

O2 und inerte Elektrode*

Elektrolytlösung:    

Kaliumnitrat (KNO3)

*palladinierte Nickeldrahtnetze (Palladium Pd wirkt als Katalysator)

- Reaktion an den Elektroden:













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