Elektrochemie / elektrische Energiequellen

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edler ein metall ist, desto mehr tendieren die Metallionen dazu, Elektronen aufzunehmen Redoxpaar mit positiverem Potential Kathode Elektrodengleichgewichte: An der Elektroden Oberfläche bildet sich ein Gleichgewicht zwischen reduzierter und oxidierter Form des Redoxpaares aus: Ox + (Reduktion) Daniell-Zelle: Minuspol Zn²+ 2n²+ 2n²+ სს b b 199 é !! 90 c Tone leter Zn²+ 2n ²+ Zn²+ CU 24 Znso Lösung Donatorhalbzelle (Minuspol): Zn/Zn Zink wird bei Stromfluss oxidiert. 2n(s) 2n²+ (aq) +2e= (Elektronenüberschuss) → unedleres Metall 22 ს ს Pluspol Cu²+ Cu²+ CuSO-Lösung Akzeotorhalbzelle (Pluspol): Cu²/Cu, Cu wird bei Stromfluss reduziert. Cu²+ (aq) +2e-> Cu (s) (Elektrodenmangel) → edleres Metall Beide Halbzellen sind über einen lonen leiter miteinander verbunden, der die für den Ladungs ausgleich nötige lonen wanderung ermöglicht. Zelldiagramm Zn (s) | Zn²+ (aq) Cu²+ (aq) | Cu(s) Oxidation Reduktion Zellspannung etwa 1,1V Je unedler das Metall ist, desto kleiner ist das Standard elektronen- potenzial und desto eher liegt es in der oxidierten Form vor und desto eher agiert es als Donator Je edler das Metall ist, desto größer ist das Standard elektronen- potenzial und desto eher liegt es in der reduzierten Form vor und agiert als Akzeptor Standard Wasserstoffelektrode: platiniertes Platinblech in wässriger Lösung mit Standard Konzentration an H*lonen c 100 mol umspült von Wasserstoffgas mit dem Standarddruck pᵒ= 100kPa E° (H/H₂) 0.00V bei 25°C Platin ⇒edel und daher reaktionsträge (6. Schale große Atome - H₂-Teilchen passen in Hohlräume Zelldiagramm einfache Form der Beschreibung galvanischer Zellen senkrechter Balken: Phasengrenze gestrichelter senkrechter Balken: Diaphragma - zwei gestrichelte senkrechte Balken: zwei aufeinander folgende Diaphragma in einer Salzbrücke - Minuspol (Donatorzelle): links - Pluspol (Akzeptorzelle): rechts Pb (s) | Pb (aq) Beispiel -Hinuspol - Ondation - Donator- halbzelle Cu²+ (aq) | Cu(s - Pluspol - Reduktion -Akzeptorhalb- zelle Elektroden potential E → Ursache: Unterschiedliche elektrische Aufladung der Elektroden aufgrund der Ausbildung des Elektroden gleichgewichts Elektroden potentiale einzelner Elektroden sind nicht direkt messbar ) Zellspannung Uzelle An den Elektroden messbare Spannung, es gilt: Uzelle - E(Akzeptorhalb Zelle)-E (Donatorhalb Zelle) (cc Standard elektroden potential Eº Elektrodenpotential unter Standardbedingungen 101 11₁ pᵒ=100 kPa), das gegen eine Standard-Wasserstoffelektrode gemessen wird. Elektrochemische Spannungsreihe Ordnung von Redox paaren nach ihren Standardelektrodenpotentialen - Bezugspunkt ist das Potential der Standard Wasserstoffelektrode - Je kleiner das Standard elektroden potential ist, umso leichter wird die reduzierte Form eines Redoxpaares oxidiert BATTERIEN galvanische Zellen, die nicht wieder aufgeladen werden können (Primärzellen) • Beispiele: Zink- Kohle Batterie, Alkali- Mangan- Batterie, Zink-Luft- Batterie, Zink- Silberoxid- Batterie, Lithium- Manganoxid- Batterie . Zink-Luft-Batterie negativer Pol Kunststoff- dichtring Zinkpulver positiver Pol - Luftloch Masse Netz Filterpapier Separator Teflonfolie Minuspol: 2 Zn (s) 2 Zn²+ (aq) + 4 e Pluspol: O₂(g) + 2 H₂O (1) +4e-4 OH(aq) Elektrolyt: Kaliumhydroxidlösung Nennspannung U in V: 1,45 Verwendung: Hörgeräte, Sicherheits- leuchten im Straßenbau, Weide- zäune Hohlräume ermöglichen kurzzeitiges einlagern der Li- lonen Zink-Silberoxid-Batterie Stützring negativer Pol Quellblatt positiver - Silberoxid Pol Separator Minuspol: Zn (s) Zn²+ (aq) + 2 e Pluspol: Ag₂0 (s) + H₂0 (1) +2 e-→→ 2 Ag (s) + 2 OH(aq) Elektrolyt: Kaliumhydroxidlösung LITHIUM-IONEN-AKKU Donatorhalbzelle (Minuspol): Graphit Akzeptorhalbzelle (Pluspol): Lithium- metalloxid Reduktion Minuspol <-e Nennspannung U in V: 1,55 Verwendung: Uhren, Taschenrechner, medizinische Geräte Graphenschicht Kunststoff- dichtring Zinkpulver Elektrolyse Laden 1 1 Lithium-Mangandioxid-Batterie negativer Pol Stützring IIIV Pluspol: LCoCoO4 + L₁ + (solu) + e- Minuspol: Li(s) - Li+e Kunststoffdichtring Lithium organischer positiver Elektrolyt Pol (Separator) Lithium- Cobaltoxidschicht Pluspol: MnO₂ (s) + Li+eLiMnO₂ (s) Mangandioxid Elektrolyt: LICIO4 in wasserfreiem Lösemittel, Festelektrolyte Nennspannung U in V: 1,5 bis 3,7 Verwendung: Kameras, Uhren, Herzschri tmacher, Sicherheits- und Alarmsysteme || 24 C00₂ Li+- lonen dienen nur als Ladungsträger und werden in die Elektrodenmaterialien zum Ladungsausgleich eingelagert. Zwischen den Elektroden befindet sich ein wasserfreier, organischer Elektrolyt, indem Lithiumsalze gelöst sind. (Rockig-Chair- Prinzip) Zellspannung etwa 3,7 V Oxidation Oxidation Pluspol Minuspol Zink- Kohle- Batterie Graphenschicht Minuspol Zn (s)-> Zn*(aq) + 2e Kohlestab (Kathode) Galvanische Zelle Entladen 1 Laden und Entladen eines Lithium-Ionen-Akkumulators (Lithium-Ionen violett, Anionen des Elektrolyten grün) Entladen Minuspol: +[C] (s) L₁* (solv) + C6 (s) +e¯ Entladen Laden Mangandioxid (Braunstein) Ammoniumchlorid (Elektrolyt) Pluspol MnO₂ (s)+ H₂O + e-> MnÖOH (s) + OH Nennspannung: 1,5 V mit Zink gefüllter Becher (Anode) Reduktion Pluspol Lithium- Cobaltoxidschicht Beim Laden werden Cobalt(III)- lonen zu Cobalt (IV)- lonen in Form von LiCo "CoOoxidiert. Dabei werden Li-lonen freigesetzt. BLEIAKKU Aufbau: - mehrere positive und negative Elektroden ergeben einen Plattensatz. Mehrere Plattensätze ergeben einen Plattenblock. - der Plattensatz dient dazu dass die Fläche möglichst groß ist und deshalb beim Start eine höhere Anzahl Strom vorhanden ist - der in Schwefelsäure getrennte Seperator ist lonendurchlässig und trennt Kathode und Anode räumlich voneinander, um Kurzschlüsse zu verhindern Negative Platte (Pb) Negativer Plattensatz Trennwand Plattenblock für eine 2 V-Zelle Unterschiede zum Lithium-Ionen Akku: - Aufbau - Spannung - Art der Reaktion (Rocking Chair Prinzip) - beim Li-lonen Akku keine Trennwand ● Positiver Plattensatz -Positive Platte (PbO₂) Minuspol Pb ● 2e PbSO4 Pb²+ so H30+ Sou² BRENNSTOFFZELLEN • Vorteil: Edukte und Produkte können kontinuierlich zu und abgeführt werden, sodass fortlaufend chemische in elektrische Energie umgewandelt werden kann So 1 Laden und Entladen eines Bleiakkumulators Elektrolyt: - Bleiakku H₂SO - Lithiumionenakku: wasserfrei, polar -> Organisches Lösemittel, leicht entflammbar Wasserstoff- Sauerstoff- Brennstoffzellen: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser. Die beiden am häufigsten verwendeten Typen sind die alkalische Brennstoffzelle und die Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle. PbSO4 2H₂O+Pb²+ PbO₂ 4H* • Direkt- Methanol- Brennstoffzellen: Statt Wasserstoff wird Methanol mit Luftsauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt 2e Pluspol Laden H₂ Minuspol (Reduktion, PbSo4 als Akzeptor, Kathode) 11 PbSOy (s) +2e-> Pb(s) + SO4²- Pluspol (Oxidation, Donator, Anode) 11 IV PbSO4 (s) + 2 H₂O (e) PbO₂ (s) + 4H+ Entladen Minuspol (Pb als Donator, Oxidation, Anode) O 11 Pb (s) + SO₂²(aq). PbSO4(s)+2e Pluspol (Reduktion, Pb02 als Akzeptor, Kathode) PbO₂ (s) + 4H+ (aq) + S0₂²³² (aq) + ²e² ->PbSO4 (s) + 2H₂O(e) L> schwerlöslich, an Elektroden M Motor palladinierte Nickel-Netzelektrode Separator (Protonendurchlässig) Minuspol/ Oxidation: H₂ (9) Pluspol/ Reduktion 4H+ + Gesamt 2 H₂(g) + O₂(g) + AKKUMULATOREN galvanische Zellen, die bei Anlegen einer Spannung durch Umkehrung der Zellreaktion wieder aufgeladen werden können • Laden: elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt Entladen: chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt Viele Lade- Entlade- Zyklen sind möglich Beispiele: Bleiakkumulatoren, Nickel- Metallhydrid- Akkumulatoren, Lithium-Ionen- Akkumulatoren Kalilauge 0₂ 2 H+ + 2e¯ 4e¯¯ + 0₂92>2 H ₂0 (0) 2 H₂O (e)