Elemente und Moleküle, Schulbuch

73 4.3 reDOX-reaKTiOnen ums ist die Produktion sehr teuer; man muss zB in Räumen arbeiten, deren Luft- feuchtigkeit unter 1 % liegt. Am weitesten verbreitet ist die Lithium-Braunsteinzelle. In diesem Element bildet Lithium den Minuspol und Braunstein den Pluspol. Die Elektrolytlösung besteht aus organischen Lösungsmitteln und Lithiumperchlorat. Die Lithiumbatterie zeichnet sich durch hohe Spannung (ca. 3,5 V) und lange Lebensdauer aus. Lithiumbatterien setzt man als Knopfzelle für Uhren und Taschenrechner ein. Spezielle Ausführungen der Lithiumbatterie werden für Herzschrittmacher verwendet. Die Entwicklung auf dem Sektor der Lithiumbatterien ist sicher noch nicht abgeschlossen. Quecksilberoxid-Knopfzellen Abb. 73.1 zeigt den Aufbau einer solchen Knopfzelle. Der Minuspol besteht aus Zink- pulver, der Pluspol aus Quecksilberoxid. Elektrolyt-Lösung ist Kalilauge, die in einem Kunststoffgewebe aufgesaugt ist und sich daher nicht als Flüssigkeit verhält. Reaktionen: Red.: HgO + H 2 O + 2 e – → Hg + 2 OH – Ox.: Zn → Zn 2+ + 2 e – Silberoxid-Knopfzellen sind analog aufgebaut, enthalten allerdings auch eine gewis- se Menge an Quecksilber. Entsorgung von Batterien In Österreich fallen jährlich etwa 1800 t Altbatterien an. Dies entspricht 44 Millionen Stück. Ein geringer Anteil (ca. 10 t) davon sind Knopfzellen, die jedoch bis zu 15 % Quecksilber und bis zu 3 % Silber enthalten. Die Hauptmenge bilden Alkalimangan- zellen und Trockenbatterien. Erstere weisen einen Quecksilbergehalt von ca. 1 % auf. Neben dem giftigen Quecksilberanteil enthalten Altbatterien weitere Schwermetal- le. Daher müssen alle Altbatterien bei den von den Gemeinden eingerichteten Sam- melstellen abgegeben werden und dürfen auf keinen Fall in den Hausmüll gelangen. Sekundärelemente Der Bleiakkumulator Zwei Sätze von parallel geschalteten Gitterplatten aus einer Bleilegierung bilden einen Plattenblock, der in 30%ige Schwefelsäure taucht. Die Platten des ersten Sat- zes sind mit fein verteiltem Blei (Minuspol), die des zweiten Satzes mit Blei(IV)-oxid (Pluspol) gefüllt. Zwischen den Platten befinden sich säurefeste Trennwände (Abb. 73.3). Ein Plattenblock liefert eine Spannung von 2 V. Bei der Starterbatterie für Kraftfahrzeuge sind mehrere Plattenblöcke hintereinander geschaltet. Reaktionen beim Entladen: Red.: PbO 2 + SO 4 2– + 4 H + + 2 e – → PbSO 4 + 2 H 2 O Ox.: Pb + SO 4 2– → PbSO 4 + 2 e – Gesamt: PbO 2 + Pb + 2 H 2 SO 4 → 2 PbSO 4 + 2 H 2 O Da beim Entladen die Konzentration der Schwefelsäure abnimmt (siehe Reaktions- gleichung), kann durch Messung der Dichte der Schwefelsäure der Ladungszustand überprüft werden, da H 2 SO 4 fast die doppelte Dichte von H 2 O aufweist. An beiden Polen entsteht schwer lösliches Bleisulfat. Durch Anlegen einer äußeren Spannung kann die Reaktion umgekehrt werden (Laden des Akkumulators). Das Laden ist al- lerdings nur möglich, weil die Abscheidung von Wasserstoff (aus den H + -Ionen der Säure) an Blei behindert ist. Ist das Bleisulfat verbraucht, kommt es zu einer „Was- serelektrolyse“: Es entsteht Wasserstoff und Sauerstoff. Dies wird auch als „Gasen“ des Akkumulators bezeichnet. In geringem Maß läuft diese Reaktion immer neben der Ladereaktion ab. Der große Vorteil des Bleiakkumulators ist seine Belastbarkeit. Bei entsprechend niedrigem Widerstand des Stromkreises kann er Hunderte Am- pere Stromstärke liefern. Er ist daher trotz seines hohen Gewichtes als Starterbat- terie für Autos in Verwendung. Ein Blei-Akku darf auf keinen Fall kurzgeschlossen werden!!! ■ 73.1: Modell eines Blei-Akkus Man stellt 2 Bleiplatten in einen Glastrog mit ca. 30%iger Schwefelsäure. Sie überzie- hen sich sofort mit einer dünnen Bleisulfat- schicht. Nun legt man einige Volt Spannung an, um den Akkumulator zu laden. Danach kann man die Spannung messen bzw. ein Lämpchen (Motor) betreiben. Mit einem Amperemeter zeigt man die hohe Strom- stärke bei Kurzschluss. LeHReRVeRSUCH Energie Laden Ausgangszustand (geladen) Endzustand (ungeladen) Energie Entladen Deckel (Minuspol) Zinkpulver (Anode) Isoliermasse KOH (Elektrolyt) Separator Quecksilberoxid (Katode) Zellenbecher (Pluspol) 2 H 2 SO 4 2 H 2 O 2 H + Pb 2+ SO 4 2– Pb 2+ SO 4 2– 2 H + 2 OH – Pb PbO 2 Pb 4+ 2 O 2– Verbraucher 2e – 2e – 2e – 2e – Entladen Laden Abb. 73.3: Schema des Blei-Akkus Abb. 73.2: Schema eines Sekundärelementes Abb. 73.1: Schema einer Knopfzelle Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv