Fächer

Chemie

Redoxgleichgewichte

Elektrolyse und elektrochemische energiequellen

Zersetzungsspannung bei der elektrolyse

Wie du einen Lithium-Ionen-Akku lädst und was das Daniell-Element ist

Name: Knowunity
Brand: Knowunity

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Wie du einen Lithium-Ionen-Akku lädst und was das Daniell-Element ist

Lena

@lena_a54f01

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Batterien und Akkumulatoren sind wichtige elektrochemische Energiespeicher. Während Batterien nach Entladung entsorgt werden müssen, können Akkus wiederaufgeladen werden. Die Zink-Kohle-Batterie war eine der ersten Batterien, hat aber ein Spannungsproblem durch Ablagerungen. Moderne Lithium-Ionen-Akkus bieten hohe Leistung bei geringem Gewicht. Galvanische Zellen wie das Daniell-Element nutzen die unterschiedliche Elektronenaffinität von Metallen zur Stromerzeugung. Die Elektronegativität und Oxidationszahlen spielen eine wichtige Rolle bei Redoxreaktionen.

• Batterien sind Primärzellen für einmaligen Gebrauch, Akkumulatoren wiederaufladbare Sekundärzellen
• Lithium-Ionen-Akkus haben eine hohe Zellspannung von 3,7V und ein gutes Energie-Masse-Verhältnis
• In galvanischen Zellen finden Redoxreaktionen zwischen unedlen und edlen Metallen statt
• Die Elektronegativität bestimmt die Art der chemischen Bindung zwischen Atomen
• Oxidationszahlen helfen bei der Beschreibung von Redoxvorgängen

30.11.2020

1387

Batterien & Akkus
Batterie: Nennt man auch Primäreelle. Wenn die Stoffe zur Energieumwandlung erschöpft sind, hat die Batterie beine weitere

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Redoxreaktionen und Metallreaktivität

Wie funktioniert eine Batterie Physik basiert auf dem Prinzip der Redoxreaktion. Dabei werden Elektronen zwischen verschiedenen Stoffen ausgetauscht.

Example: Bei der Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff gibt Magnesium Elektronen ab (Oxidation) und Sauerstoff nimmt sie auf (Reduktion).

Die Reaktivität von Metallen spielt eine wichtige Rolle in elektrochemischen Prozessen:

Definition: Unedle Metalle sind leicht oxidierbar und geben Elektronen leicht ab. Sie fungieren als starke Reduktionsmittel.

Es gibt eine Reihenfolge der Metallreaktivität, die als elektrochemische Spannungsreihe bekannt ist:

Highlight: Li > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > Cu > Ag > Hg > Pt > Au

Je weiter links ein Metall in dieser Reihe steht, desto unedler ist es und desto leichter gibt es Elektronen ab.

Vocabulary: Edle und unedle Metalle Unterschied - Edle Metalle geben Elektronen nur schwer ab und sind weniger reaktiv als unedle Metalle.

Diese Eigenschaften werden in galvanischen Zellen genutzt, um elektrischen Strom zu erzeugen.

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Galvanische Zellen und Elektrodenprozesse

Eine galvanische Zelle, wie das Daniell-Element, nutzt die unterschiedliche Reaktivität von Metallen zur Stromerzeugung.

Definition: Eine galvanische Zelle besteht aus zwei Halbzellen, die durch eine poröse Trennwand verbunden sind.

In jeder Halbzelle befindet sich eine Metallelektrode in einer Lösung ihrer Ionen. Die Batterie Funktionsweise Chemie basiert auf folgenden Prozessen:

An der Anode (Minuspol) findet die Oxidation statt. Hier werden Elektronen abgegeben.
An der Kathode (Pluspol) findet die Reduktion statt. Hier werden Elektronen aufgenommen.

Example: Im Daniell-Element oxidiert Zink an der Anode zu Zink-Ionen, während Kupfer-Ionen an der Kathode zu Kupfer reduziert werden.

Die Spannung galvanische Zelle hängt von der Potentialdifferenz zwischen den beiden Halbzellen ab.

Highlight: Je größer der Unterschied in der Reaktivität der verwendeten Metalle, desto höher ist die erzeugte Spannung.

Die Zellspannung Chemie kann mit der Nernst-Gleichung berechnet werden, die auch Konzentrationsunterschiede berücksichtigt.

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Elektronegativität und Oxidationszahlen

Die Elektronegativität eines Elements gibt an, wie stark es Elektronen in einer chemischen Bindung an sich zieht.

Definition: Bei einer Differenz der Elektronegativität < 1,7 spricht man von einer Elektronenpaarbindung, bei ≥ 1,7 von einer Ionenbindung.

Oxidationszahlen sind fiktive Ladungszahlen, die helfen, Redoxreaktionen zu verstehen und auszugleichen.

Highlight: Die Summe der Oxidationszahlen in einer neutralen Verbindung muss immer 0 ergeben.

Grundregeln zur Ermittlung von Oxidationszahlen:

Elementare Stoffe haben immer die Oxidationszahl 0.
Die Oxidationszahl einatomiger Ionen entspricht ihrer Ladung.
In Verbindungen ohne Ladung muss die Summe aller Oxidationszahlen 0 ergeben.
In geladenen Ionen muss die Summe der Oxidationszahlen der Ladung des Ions entsprechen.
Bestimmte Elemente haben in Verbindungen oft charakteristische Oxidationszahlen (z.B. Alkalimetalle +I, Erdalkalimetalle +II).

Vocabulary: Die Potentialdifferenz Chemie berechnen erfordert die Kenntnis der Oxidationszahlen und der Standardpotentiale der beteiligten Redoxpaare.

Diese Konzepte sind grundlegend für das Verständnis von Redoxreaktionen und damit für die Funktionsweise von Batterien und Akkumulatoren.

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Batterien und Akkus: Grundlagen und Funktionsweise

Wie funktioniert eine Batterie Kinder können anhand einfacher Beispiele verstehen. Eine Batterie besteht aus zwei unterschiedlichen Materialien, die durch eine chemische Reaktion Strom erzeugen.

Definition: Eine Batterie, auch Primärzelle genannt, ist ein nicht wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher.

Trockenbatterien wurden entwickelt, um eine bessere mobile Nutzung zu ermöglichen. Ein klassisches Beispiel ist die Zink-Kohle-Batterie, die eine Spannung von 1,5 V liefert.

Highlight: Batterien sind nicht wiederaufladbar und müssen nach der Entladung fachgerecht entsorgt werden.

Im Gegensatz dazu stehen Akkumulatoren, auch Sekundärzellen genannt. Ein bekanntes Beispiel ist der Bleiakkumulator, der in Autos verwendet wird.

Vocabulary: Akku oder Batterie Unterschied erkennen - Akkus können durch Anlegen einer äußeren Spannung wieder aufgeladen werden, Batterien nicht.

Der Lithium-Ionen-Akkumulator ist besonders leistungsfähig, da er eine hohe Zellspannung von 3,7 V bei geringer Masse bietet.

Example: In Smartphones und Laptops werden häufig Lithium-Ionen-Akkus verwendet.

Die Zellspannung einer galvanischen Zelle lässt sich mit folgender Formel berechnen: U = E(Akzeptorhalbzelle) - E(Donatorhalbzelle)

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Definition: Unedle Metalle sind leicht oxidierbar und geben Elektronen leicht ab. Sie fungieren als starke Reduktionsmittel.

Es gibt eine Reihenfolge der Metallreaktivität, die als elektrochemische Spannungsreihe bekannt ist:

Highlight: Li > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > Cu > Ag > Hg > Pt > Au

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Eine galvanische Zelle, wie das Daniell-Element, nutzt die unterschiedliche Reaktivität von Metallen zur Stromerzeugung.

Definition: Eine galvanische Zelle besteht aus zwei Halbzellen, die durch eine poröse Trennwand verbunden sind.

In jeder Halbzelle befindet sich eine Metallelektrode in einer Lösung ihrer Ionen. Die Batterie Funktionsweise Chemie basiert auf folgenden Prozessen:

An der Anode (Minuspol) findet die Oxidation statt. Hier werden Elektronen abgegeben.
An der Kathode (Pluspol) findet die Reduktion statt. Hier werden Elektronen aufgenommen.

Example: Im Daniell-Element oxidiert Zink an der Anode zu Zink-Ionen, während Kupfer-Ionen an der Kathode zu Kupfer reduziert werden.

Die Spannung galvanische Zelle hängt von der Potentialdifferenz zwischen den beiden Halbzellen ab.

Highlight: Je größer der Unterschied in der Reaktivität der verwendeten Metalle, desto höher ist die erzeugte Spannung.

Die Zellspannung Chemie kann mit der Nernst-Gleichung berechnet werden, die auch Konzentrationsunterschiede berücksichtigt.

Elektronegativität und Oxidationszahlen

Die Elektronegativität eines Elements gibt an, wie stark es Elektronen in einer chemischen Bindung an sich zieht.

Definition: Bei einer Differenz der Elektronegativität < 1,7 spricht man von einer Elektronenpaarbindung, bei ≥ 1,7 von einer Ionenbindung.

Oxidationszahlen sind fiktive Ladungszahlen, die helfen, Redoxreaktionen zu verstehen und auszugleichen.

Highlight: Die Summe der Oxidationszahlen in einer neutralen Verbindung muss immer 0 ergeben.

Grundregeln zur Ermittlung von Oxidationszahlen:

Elementare Stoffe haben immer die Oxidationszahl 0.
Die Oxidationszahl einatomiger Ionen entspricht ihrer Ladung.
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