Karteikarten Chemie (Elektrochemie): Galvanische Zellen & Bleiakkumulator

Das Daniell-Element

Aufbau der Halbzellen

Zwei getrennte Metall-Elektroden tauchen in ihre jeweiligen Metallsalzlösungen ein.

• Anode: Die unedlere Zink-Elektrode gibt Elektronen ab (Oxidation).
• Kathode: Die edlere Kupfer-Elektrode nimmt Elektronen auf (Reduktion).
• Diaphragma: Eine Trennwand, die den Stromkreis schließt, aber die Lösungen trennt.

Die Gesamtreaktion

Die Elektronen fließen freiwillig vom unedlen zum edleren Metall.

• Formel: $Zn (s) + Cu^{2+} (aq) \rightarrow Zn^{2+} (aq) + Cu (s)$

💡 Tipp: Die Anode ist bei galvanischen Zellen immer der Minuspol, an dem die Oxidation stattfindet.

Die Galvanische Zelle

Funktionsprinzip

Chemische Energie wird durch eine spontane Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt.

• Prinzip: Oxidation und Reduktion laufen räumlich getrennt in Halbzellen ab.
• Elektronenfluss: Fließen immer vom negativeren zum positiveren Potenzial.
• Elektrolyt: Leitet den Strom durch Ionenbewegung innerhalb der Zelle.

💡 Tipp: Das Daniell-Element ist der berühmteste Prototyp einer galvanischen Primärzelle.

Standard-Wasserstoff-Elektrode

Das elektrochemische Potenzial

Das Potenzial einzelner Halbzellen lässt sich nicht direkt, sondern nur im Vergleich messen.

• Referenz: Die Standard-Wasserstoff-Elektrode besitzt das Potenzial $0{,}0\text{ V}$.
• Bedingungen: Standardmäßig bei $25\text{ }^\circ\text{C}$, $1\text{ bar}$ Druck und einer Konzentration von $1\text{ mol/l}$.
• Platinbecher: Dient als reaktionsträges Trägermaterial für das Wasserstoffgas.

💡 Tipp: Alle Tabellenwerte der elektrochemischen Spannungsreihe beziehen sich auf diese Elektrode.

Berechnung der Zellspannung

Das elektrische Potenzial

Die maximale Spannung ($\Delta E^\circ$) ergibt sich aus der Differenz der Standardpotenziale.

• Formel: $\Delta E^\circ = E^\circ_{\text{Kathode}} - E^\circ_{\text{Anode}}$
• Freiwilligkeit: Ist $\Delta E^\circ > 0$, läuft die Reaktion von alleine ab.

Beispiel:

• $E^\circ(\text{Kupfer}) = +0{,}34\text{ V}$, $E^\circ(\text{Eisen}) = -0{,}41\text{ V}$
• $\Delta E^\circ = +0{,}34\text{ V} - (-0{,}41\text{ V}) = +0{,}75\text{ V}$ (Reaktion läuft freiwillig)

💡 Tipp: Subtrahiere immer "Minuspol von Pluspol" (edler minus unedler), um eine positive Spannung zu erhalten.

Der Ladungsausgleich

Das Ladungsproblem

Durch den fließenden Strom entsteht schnell ein extremes Ungleichgewicht der Ladungen.

• Zink-Halbzelle: Verliert Elektronen, wodurch ein Überschuss an positiven $Zn^{2+}$-Ionen entsteht.
• Kupfer-Halbzelle: Verbraucht positive $Cu^{2+}$-Ionen, was zu einem negativen Ladungsüberschuss führt.
• Ausgleich: Nur durch Ionenwanderung über das Diaphragma bleibt die Zelle funktionsfähig.

💡 Tipp: Ohne Ladungsausgleich durch Ionen bricht der Stromfluss nach Sekundenbruchteilen zusammen.

Die Zink-Kohle-Batterie

Aufbau einer Primärzelle

Diese klassische Einwegbatterie lässt sich nach der Entladung nicht wieder aufladen.

• Zinkbecher: Dient gleichzeitig als Gehäuse und als Anode (Minuspol).
• Graphitstab: Bildet die Kathode (Pluspol), umgeben von Braunstein ($MnO_2$).
• Elektrolyt: Ammoniumchlorid-Lösung in einer feuchten Pappschicht.

💡 Tipp: Wenn der Zinkbecher durch die Oxidation zerfressen wird, kann die Batterie auslaufen.

Der Bleiakkumulator

Prinzip der Sekundärzelle

Ein Akkumulator speichert Energie chemisch und ist im Gegensatz zur Primärzelle wiederaufladbar.

• Entladung: Spontane Redoxreaktion liefert Strom wie eine galvanische Zelle.
• Akkutyp: Besteht im geladenen Zustand aus einer Blei- und einer Bleioxidedlektrode.
• Einsatz: Häufig genutzt in Gabelstaplern, U-Booten oder als Starterbatterie im Auto.

💡 Tipp: Beim Entladen von Akkus entsteht an beiden Polen schwer lösliches Bleisulfat.

Aufbau des Bleiakkus

Die Bauteile im Detail

Der Bleiakku liefert durch seinen robusten Aufbau extrem hohe Stromstärken.

• Minuspol: Bleiplatten ($Pb$).
• Pluspol: Bleioxidplatten ($PbO_2$).
• Elektrolyt: Verdünnte Schwefelsäurelösung ($H_2SO_4$).

💡 Tipp: Die Säuredichte der Schwefelsäure sinkt beim Entladen und steigt beim Aufladen wieder an.

Der Aufladungsprozess

Elektrolyse zur Regeneration

Durch das Anlegen einer äußeren Gleichspannung wird die freiwillige Zellreaktion umgekehrt.

• Rückreaktion: Bleisulfat ($PbSO_4$) wird wieder in Blei und Bleioxid umgewandelt.
• Anschluss: Der Pluspol der Quelle kommt an das Bleioxid, der Minuspol an das Blei.
• Zersetzungsspannung: Muss höher sein als die reine Potenzialdifferenz der Halbzellen.

💡 Tipp: Beim Laden läuft eine Elektrolyse ab – die Umkehrung der galvanischen Zelle.