Elemente und Moleküle, Schulbuch

72 4 ANoRGANISCHe ReAKtIoNStYPeN Elektrochemische Spannungsquellen Durch einen geeigneten Aufbau können freiwillig ablaufende Redox-Reaktionen zur Erzeugung einer elektrischen Spannung benutzt werden. Kann das System (Element) nach Ablauf der Reaktion nicht wieder aufgeladen werden, spricht man von Primär- elementen bzw. Batterien ; wieder aufladbare Systeme (Elemente) bezeichnet man als Akkumulatoren oder Sekundärelemente . Allen Spannungs-quellen ist gemein- sam, dass sie einen Minuspol (Elektronenüberschuss ⇒ Ablauf der Oxidation – Ano- de) und einen Pluspol (Elektronenmangel ⇒ Ablauf der Reduktion – Katode) besit- zen. Neben festen Bestandteilen (Elektroden) enthalten die Elemente flüssige bis pastöse Elektrolyte, die manchmal an der Reaktion beteiligt sind. Bauformen von Batterien und Akkus • Rundzellen werden universell und am häufigsten eingesetzt (Radio usw.). • Knopfzellen sind besonders klein. Sie werden vor allem in elektronischen Gerä- ten mit sehr kleinem Stromverbrauch eingesetzt. (Armbanduhr usw.) • Blöcke sind intern aus mehreren in Serie geschalteten Zellen (zum Erreichen einer höheren Spannung) aufgebaut. Allgemein bekannt ist die 9 V Batterie (oder Akku) mit Druckknopf-Anschlüssen. Sie enthält 6 hintereinander geschaltete 1,5 V Zellen. Primärelemente Trockenbatterie Neben der Bezeichnung Trockenbatterie sind viele weitere Namen gebräuchlich: Leclanche-Element, Zink-Kohle-Batterie, Zink-Braunstein-Element. Abb. 72.2 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen Trockenbatterie. Der Minuspol ist der Zinkbecher, der gleichzeitig als Behälter dient. Da bei der Stromentnahme Zink in Lösung geht, wird der Becher, um ein Auslaufen zu verhindern, mit einem Stahl- mantel umgeben. Der Pluspol besteht aus Braunstein (MnO 2 ), der mit Grafit ver- mischt wird. Für die Elektronenübertragung am Pluspol wird ein Grafitstift benutzt. Der Elektrolyt besteht aus einer mit Stärke oder ähnlichen Quellmitteln angedickten Paste aus Ammoniumchlorid und Zinkchlorid. Reaktionen: Red.: 2 MnO 2 + 2 NH 4 + + 2 e – → 2 MnO(OH) + 2 NH 3 Ox.: Zn → Zn 2+ + 2 e – Der am Pluspol entstehende Ammoniak wird von den Zink-Ionen gebunden. Die Spannung der Trockenbatterie beträgt 1,5 V. Durch den pastösen Elektrolyten und relativ lange Diffusionswege für die Ionen können Trockenbatterien keine hohen Stromstärken liefern. Werden sie kurzgeschlossen, sinkt die Spannung rasch auf sehr kleine Werte; sie sind dadurch kurzschlussfest. Alkalibatterien Bei der Alkalibatterie besteht die negative Elektrode aus Zink (Zn), die positive aus Mangandioxid (MnO 2 ). Die Alkalibatterie ähnelt im Aufbau der Trockenbatterie. Als Elektrolyt verwendet man anstelle von Ammoniumchlorid Kalilauge. Alkalibatterien haben eine höhere Kapazität (dh. Strommenge = Ladung) als gewöhnliche Trocken- batterien. Die Reaktionen an den Elektroden sind kompliziert und noch nicht endgültig er- forscht. Die Alkalibatterie wurde vom Österreicher Prof. Dr. Karl Kordesch entwickelt. Lithium-Batterien Durch die rasche Entwicklung auf dem Gebiet der Elektrotechnik und Elektronik wurden immer höhere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Batterien ge- stellt: hoher Energieinhalt, hohe Zellspannung, lange Lagerfähigkeit und Lebens- dauer, geringe Selbstentladung, Beständigkeit in einem großen Temperaturbereich, geringer Platzbedarf. Lithiumbatterien erfüllen viele dieser Anforderungen. Lithium ist ein sehr starkes Reduktionsmittel (-3,05 V) und damit als negative Elek- trode einer Batterie optimal geeignet. Aufgrund der Reaktionsfreudigkeit des Lithi- Energie Entsorgung Ausgangszustand (geladen) Endzustand (ungeladen) ■ 72.1: Modell einer Trocken- batterie Misch in einem kleinen Becherglas (Volu- men: 50 mL) Zinkchlorid, Ammoniumchlo- rid und Stärke mit heißem Wasser zu ei- ner sirupösen Masse (Becherglas ca. halb voll)! In einem zweiten Becherglas misch Zinkchlorid, Ammoniumchlorid, Aktivkoh- le und Braunsteinpulver mit Wasser ebenfalls zu einer sirupösen Suspension und füll diese in eine kleine Extraktions- hülse! Stell diese in das erste Becherglas! Gib eine Grafit-Elektrode in die Braun- stein-Suspension und eine Zink-Elektrode in die Salz-Stärke-Suspension! Miss die Spannung! Verwend die Spannungsquelle zum Betrieb eines Lämpchens oder eines 2-V-Motors! Miss mit einem Ampereme- ter (geringer Innenwiderstand, daher Kurzschluss) direkt die erzielbare Strom- stärke! Entsorgung: Schwermetallkanister. SCHÜLeRVeRSUCH Polkappe (Pluspol) Bodenkontaktscheibe (Minuspol) Metallmantel Isolierung Zinkbecher (Anode) Braunstein-Ruß- Gemisch (Katode) mit pastöser wässriger NH 4 Cl / ZnCl 2 -Lösung Kohlestab Abdeckscheibe Pastöse wässrige NH 4 Cl/ZnCl 2 -Lösung Abb. 72.2: Aufbau der Trockenbatterie Abb. 72.1: Schema eines Primärelementes Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv