Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Spannungsreihe der Metalle Metall positives Metallion Spannung [V] zu H 2 , 25 °C Li Li + ‒ 3,01 K K + ‒ 2,92 Ca Ca 2 + ‒ 2,84 Na Na + ‒ 2,71 Mg Mg 2 + ‒ 2,38 Al Al 3 + ‒ 2,34 Mn Mn 2 + ‒ 1,05 Zn Zn 2 + ‒ 0,76 Fe Fe 2 + ‒ 0,44 Cd Cd 2 + ‒ 0,40 Co Co 2 + ‒ 0,28 Ni Ni 2 + ‒ 0,23 Sn Sn 2 + ‒ 0,14 Pb Pb 2 + ‒ 0,13 H 2 2H + 0,000 Cu Cu 2 + + 0,34 Ag Ag + + 0,80 Hg Hg 2 + + 0,80 Au Au 2 + + 1,36 Pt Pt 2 + + 1,60 77.1 Spannungsreihe der Metalle. Die „uned- len“ Metalle (Li, K, …) geben lieber Elektronen ab, die „edlen“ (Platin, Gold, …) nehmen sie lie- ber auf als die dazwischen liegenden Metalle. Elektrizität aus chemischen Reaktionen Der italienische Mediziner L UIGI G ALVANI (1737–1798) aus Bologna entdeckte 1789 durch Zufall die Grundprinzipien der nach ihm benannten Galvanischen Zelle , die elektrische Spannungen auf chemischem Weg erzeugt: In der galvanischen Zelle befinden sich zwei Elektroden aus unterschiedlichen Metallen (Kupfer und Zink) in einem flüssigen Elektrolyten. Die unterschiedlich starke Tendenz der Metalle, sich als Ionen im Elektrolyten zu lösen, führt zu einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden. Die Weiterentwicklung führte zu zwei Klas- sen von Batterien: Primärelemente können nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen wer- den. Bei wiederaufladbaren Batterien , sogenannten Akkumulatoren (kurz: Akku), kann die abgelaufene chemische Reaktion wieder rückgängig gemacht werden, in- dem man mit einem Ladegerät elektrische Spannung an sie anlegt und einen elekt- rischen Strom durch sie fließen lässt. Die modernen elektronischen Geräte (Handy, Laptop, Digitalkamera) benötigen leistungsfähige Akkus. Daher wird – gerade mit Blick auf das Elektroauto – inten- siv an der Entwicklung neuer Akkus gearbeitet. Die besten Lithium-Akkus können pro Kilogramm ihrer Masse etwa 100–200 Wh an elektrischer Energie speichern. Dies zeigt ein Problem beim Einsatz in Fahr- zeugen: Benzin, bzw. Dieselkraftstoff enthalten an chemischer Energie ca. 11 kWh pro kg , das Hundertfache der in einem gleich schweren Li-Akku gespeicherten Energie. Aus dem Alltag bekannt ist der Blei-Akku, die Starterbatterie von Autos. Ihm können kurzfristig starke Ströme entnommen werden. Der Bleiakku speichert etwa 30Wh pro kg . Die Alkali-Mangan-Zelle Für eine Vielzahl elektrischer Kleingeräte dient im Alltag heute die nicht wieder aufladbare Alkali-Mangan-Zelle als Spannungsquelle. Die Zelle enthält zwei Elektroden aus unterschiedlichem Material, eine aus Zink, die andere aus Mangandioxid ( MnO 2 ). Zwischen den beiden Elektroden be- findet sich Kalilauge K(OH) in wässriger Lösung als Elektrolyt, der negative (OH)- Ionen zur Verfügung stellt. ( 77.2 ) Reaktionen an den Elektroden: Zn + 2 OH ‒  ZnO + H 2 O + 2 e ‒ Aus Zink entsteht unter Mitwirkung von (OH) -Ionen Zinkoxid ZnO , dabei wer- den pro Zinkatom 2 Elektronen frei. Zink stellt daher die negativ geladene Elek- trode der Zelle dar. Über den Ableitnagel stehen Elektronen am Minuspol (Bo- den der Zelle) zur Verfügung. MnO 2 + H 2 O + e ‒  MnO(OH) + OH ‒ Die positive Elektrode besteht aus Mangandioxid. MnO 2 wandelt sich bei Vor- handensein von H 2 O und einem freien Elektron in MnO(OH) um. Normalerweise besteht an der positiven Elektrode ein Mangel an Elektronen, die chemische Re- aktion kann nicht ablaufen. Verbindet man die beiden Elektroden durch einen Draht, dann können Elektronen von der negativen Elektrode zur posi- tiven fließen. Der Stromkreis wird vollständig, indem (OH)- Ionen zur Zn- Elektrode wandern. Sie passieren dabei eine Papierfolie, welche die beiden Elektroden von einander trennt. Sinnvollerweise wird man in diesen Stromkreis auch noch einen „Verbraucher“, z. B. das Lämpchen einer Taschenlampe, einbauen, sonst hätte man einen Kurzschluss und die Batterie wäre bald „leer“. Leer ist die Zelle dann, wenn das Wasser verbraucht ist und dadurch die chemische Reaktion aufhört. Die Spannung der Mn-Zn- Zelle beträgt ca. 1,5V und nimmt im Lauf des Gebrauchs ab, bis die Zelle bei etwa 0,8V nutzlos wird. Die Spannung wird vervielfacht, indem mehrere Zellen hintereinander geschaltet werden. Beispielsweise sind in einer 9V- Blockbatterie 6 einzelne Zellen in Serie, also stets der Pluspol einer Zelle mit dem Minuspol der nächsten Zelle verbunden. Metallbecher (Plus-Pol) Folie (Isolierung und Beschriftung) Kunststoffscheibe mit Dichtungsnut Metallplatte (Minus-Pol) Berstmembran (Überdruckventil) Zinkpulver-Gel (Anode) Mangandioxid (Kathode) Ableitnagel (Kollektor) Trennfolie (Separator) 77.2 Alkali-Mangan-Zelle mit Zink als negati- ver Elektrode und Mangandioxid als positiver Elektrode. Der Elektrolyt ist Kalilauge K(OH). Die Spannung dieser Zelle beträgt 1,5V. 77 | E-LEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv