Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Der Bleiakkumulator als Beispiel für wiederaufladbare Zellen Wenn eine normale galvanische Zelle entladen ist, wird sie wertlos. Akkumulatoren dagegen sind wieder aufladbar. Wie kann man dies bewerkstelligen? Wir untersuchen dies am Modell eines Bleiakkumulators: Demonstrationsversuch: Bleiakkumulator 83.1 83.2 zeigt einen Demonstrationsversuch zur Funktionsweise eines Bleiakkumulators. Zwei Bleielektroden tauchen in ei- nem Glasgefäß in eine verdünnte H 2 SO 4 -Lösung. Das Netzgerät sorgt für Stromfluss durch diese Anordnung. Die einsetzen- de Elektrolyse soll einige Zeit laufen. Was ist zu beobachten? Anschließend wird das Netzgerät entfernt und die elektrische Spannung zwischen den Elektroden gemessen. Man kann auch eine rote Leuchtdiode parallel zum Voltmeter als Verbraucher anschließen. Ihr Leuchten zeigt, dass elektrischer Strom fließt. Blanke Bleiplatten reagieren an ihrer Oberfläche mit der Schwefelsäure und überziehen sich mit Bleisulfat ( PbSO 4 ). Wenn das Netzgerät Strom durch die An- ordnung fließen lässt, gibt es unterschiedliche chemische Reaktionen, die Ober- flächen der Elektroden werden in zwei unterschiedliche chemische Substanzen umgewandelt. Dies ist notwendig, da nur zwei verschiedene Substanzen als Spannungsquelle dienen können. Diese werden durch den Ladevorgang gebildet: − Am negativen Pol werden Elektronen aufgenommen und das Bleisulfat spaltet sich in metallisches Blei und Sulfationen: PbSO 4 + 2 e - –> Pb + SO 4 2 ‒ . − Am positiven Pol werden Elektronen abgesaugt und aus dem Bleisulfat ent- stehen als brauner Belag Bleioxid PbO 2 , sowie negative SO 4 ‒ -Ionen und H 3 O + -Ionen. PbSO 4 + 6 H 2 O –> PbO 2 + SO 4 2 ‒ + 4 H 3 O + + 2 e ‒ . Das Netzgerät liefert die Energie für die chemischen Reaktionen beim Laden. Nach einiger Zeit wird das Netzgerät ausgeschaltet. Da sich nun im Elektrolyten Elektroden aus unterschiedlichem Material befinden, werden sie die Pole einer galvanischen Zelle mit 2V Spannung. Wenn man sie durch einen Leiter verbin- det, fließt Strom. An den Elektroden laufen nun die chemischen Reaktionen von selbst in umgekehrter Richtung ab. Die zuvor gespeicherte chemische Energie kann als elektrische Energie zurück gewonnen und zum Betrieb von Lampen und Motoren genutzt werden. Bei der Entladung wird an beiden Elektroden wie- der PbSO 4 gebildet. Die Vorgänge Laden und Entladen können beliebig wieder- holt werden. (Im Gegensatz zu dem Modell sollte ein normaler Bleiakku nie voll- ständig entladen werden. Seine Elektroden sind keine einfachen Bleiplatten, ihre Oberflächenstruktur wird durch vollständige Entladung beschädigt.) Werden mehrere Zellen in Reihe – jeweils ein positiver wird mit einem negati- ven Pol – verbunden, erhält man eine Batterie. Ihre Spannung ist die Summe der Zellenspannungen. Jede Zelle trägt Energie für den Ladungstransport bei. daher addieren sich die Zellenspannungen zur Spannung der Batterie. Starterbatterien für PKWs bestehen aus 6 Zellen, die in Reihe verbunden sind und 12V liefern. Sie liefern beim Starten Ströme von ca. 300A . Hohes Gewicht und geringe gespeicherte Energie sind Nachteile von Blei-Akkus.  PbSO 4 > Pb H SO 2 4 H SO 2 4 V 2 V Netzgerät Laden Entladen PbSO 4 > PbO 2 Pb > PbSO 4 PbO 2 > PbSO 4 83.2 Der Lade- und Entladevorgang bei einer Blei-Akkumulator-Zelle Destilliertes Wasser leitet Strom nicht, Leitungswasser leitet schlecht. Gibt man Kochsalz (NaCl) hinzu, so zerfällt dieses im Wasser in Ionen, die den La- dungstransport übernehmen. Die positiven Natriumionen bewegen sich zur ne- gativen Elektrode (Katode), die negativen Chlorionen dagegen zur positiven Elektrode (Anode). An den Elektroden neutralisieren sich die Ladungen durch Elektronenaufnahme bzw. Elektronenabgabe. Chlor steigt in Form von Gasblä- schen an der Anode auf. Das Amperemeter zeigt Stromfluss an. Ionen sind die Ladungsträger beim elektrischen Strom in Flüssigkeiten. Positive und negative Ionen bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen. Dabei werden chemische Verbindungen durch elektrischen Strom zerlegt, die- sen Vorgang bezeichnet man als Elektrolyse : Elektrische Energie wird als chemi- sche Energie gespeichert, da durch die Umkehrung der Reaktion die aufgewandte Energie zurück gewonnen werden kann. 83.1 Starthilfe – im Motorraum rechts ist die Autobatterie sichtbar. 83 | E-LEHRE Nur z Prüfzwecken – Ei entum des Verlags öbv