Big Bang HTL 2, Schulbuch

Bereich Grundlagen der Chemie (II. Jahrgang, 3. Semester) 129 Redoxreaktionen 9 Zusammenfassung Die wichtigsten Primärelemente (= Batterien), also nicht aufladbaren Systeme, sind Alkali-Manganbatterien mit Zink und Manganoxid als Elektrodenmaterialien. Im Bereich der wieder aufladbaren Sekundärelemente (= Akkumulatoren) sind der Blei-Akku, der als Autobatterie bekannt ist, und der Lithium-Ionen-Akku von Bedeutung. Bleiakkus haben eine sehr geringe Energiedichte, können aber große Stromstärken bei geringem Widerstand liefern. Lithium-Ionenakkus haben eine sehr hohe Energiedichte und liefern hohe Spannungen. Auch Verbrennungsreaktionen können für die Herstellung von Batterien verwendet werden. Das Besondere an Ihnen ist, dass der Brennstoff verbraucht wird und deshalb nach- geliefert werden muss. Die Reaktion ist stark exotherm, benötigt aber viel Aktivie- rungsenergie. In der Brennstoffzelle sind so hohe Tempera- turen nicht möglich, sie hat eine Betriebstemperatur von etwa 80 °C. Bei dieser Temperatur wäre die Reaktionsge- schwindigkeit viel zu langsam. Deshalb wird Platin als Kata- lysator eingesetzt. Leider ist Platin sehr selten und deshalb auch teuer. Dieser Mangel an Platin verhindert momentan die breitere Verwendung der Wasserstoffbrennstoffzelle. Ein weiterer Nachteil der Zellen ist ihre relativ geringe Spannung von etwa 0,9V. Um damit etwa ein Fahrzeug anzutreiben werden viele Zellen zu sogenannten „Stacks“ – also Stapeln – in Serie ge- schaltet. Mit einem Stack von 100 Zellen lässt sich also eine Spannung von 100 × 0,9 = 90V erreichen. Dabei würden sich sehr hohe Wirkungsgrade errei- chen lassen. Ein Bereich der Brennstoffzellen, in dem momentan intensiv ge- forscht wird, ist der Einsatz anderer Brennstoffe wie etwa Alkohole. ( F22) . Abb. 9.26: Stack aus vielen Brenn- stoffzellen für ein Elektroauto Z Arbeitsbox Erstelle eine Tabelle mit den wichtigen Vor- und Nachteilen der in diesem Kapitel vorgestellten Batteriesysteme. Für welche Anwendungsgebiete eignen sich welche Systeme besonders gut? Recherchiere, wie heute Wasserstoff in der Regel hergestellt wird und beurteile dann die Brennstoff- zelle hinsichtlich ihrer Umweltfreundlichkeit. 9.5 F24 A1 F25 A1 9.6 Jetzt drehen wir den Spieß mal um Elektrolyse Beim Laden der Akkumulatoren legt man eine Spannung an, um die Elektrodenreaktionen umzukehren. Diese nicht freiwillig ablaufenden Redoxreaktionen betrachten wir im letzten Abschnitt dieses Kapitels. Die Elektronen des ange- legten Gleichstroms fungieren jetzt als Reduktionsmittel. Der Begriff Elektrolyse kommt aus dem Griechischen und bedeutet wörtlich übersetzt in etwa „durch Elektrizität tren- nen“. Dies könnte dadurch erklärt werden, dass viele sehr stabile Verbindungen wie Kochsalz (Natriumchlorid NaCl) oder Wasser durch Elektrolyse in ihre Elemente gespalten werden können. Beide Vorgänge werden wir uns im Laufe dieses Abschnitts genau ansehen. In der Chemie ist eine Elektrolyse aber folgendermaßen definiert: „Eine Elektrolyse ist ein Prozess, bei dem durch das Anlegen einer Gleichspannung eine freiwillig nicht ablaufende Re- doxreaktion erzwungen wird.“ ( F26 ) Der Aufbau einer Elektrolyse ähnelt dem einer galvanischen Zelle. Es gibt zwei Elektroden aus einem leitfähigen Fest- stoff (Metalle, Graphit), an die die Spannung angelegt wird. Die Elektroden können an der Elektrolysereaktion beteiligt sein oder nur als Elektronenleiter fungieren. Die Elektroden tauchen in eine leitfähige Flüssigkeit, den Elektrolyten , ein. Dies kann eine wässrige Salzlösung sein, in der die aufge- lösten Ionen beweglich sind oder auch eine Salzschmelze. Dafür sind aber sehr hohe Temperaturen von oft weit über 1000 °C notwendig. Dies liegt an den sehr hohen Schmelz- punkten der meisten Salze. Betrachten wir als Beispiel die Elektrolyse des Wassers , bei der es in seine Elemente aufgespalten wird. Die Elektroden aus Platin oder Kohlenstoff tauchen in einen Elektrolyten, der meist eine verdünnte Säure oder Base ist. Wir wollen zwar Wasser aufspalten, aber reines Wasser ist auf Grund seiner geringen Leitfähigkeit nicht als Elektrolyt geeignet. Durch die Oxonium (H 3 O + ) oder Hydroxid (OH – ) Ionen der Säure oder Base wird diese Leitfähigkeit erhöht. Kommt „Lyse“ nicht von Auflösen? Was bedeutet der Begriff „Elektrolyse“ eigentlich? Könnte man eine wieder aufladbare Wasserstoff- Brennstoffzelle bauen, also quasi einen Wasser- stoff-Akku? Wie kommt das Chrom auf den Sportauspuff? Wie kann aus Kochsalz Chlor hergestellt werden? F26 F27 F28 F29 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

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