Alternativer Bildtext:

mit negativerem Potential Hg Cu²+ Ag+ Hg²+ Au³+ 3+ Anode (Oxidation) Au Elektrolyt edel je edler ein metall ist, desto mehr tendieren die Metallionen dazu, Elektronen aufzunehmen Redoxpaar mit positiverem Potential Elektrodengleichgewichte: An der Elektroden Oberfläche bildet sich ein Gleichgewicht zwischen reduzierter und oxidierter Form des Redoxpaares aus: Kathode (Reduktion) Daniell-Zelle: Minuspol e-e- 2n²+ Zn²+ Zn²+ 99 99 e é Tonerleiter 2n²+ ee ér 2n²+ Zn²+ Cu 2+ Znsor Lösung Donatorhalbzelle (minuspol): Zn/Zn Zink wird bei Stromfluss oxidiert. Zn(s) 2n²+ (aq) +2e= (Elektronenüberschuss) →unedleres Metall 90 + Pluspol ME | Cart ს ს Cu²+ CuSO-Las ung Akzeotorhalbzelle(Pluspol): Cu 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 1,1 V 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 Hlonen c=1.00 mol umspült von Wasserstoffgas mit dem Standarddruck p= 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 Beispiel: Pb (s) | Pb²+ (aq) | Cu²+ (aq) | Cu (S - Minuspol - Oxidation - Donator- halbzelle 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 (DonatorhalbZelle) (cc Standard elektroden potential Eº Elektrodenpotential unter Standardbedingungen 101-11₁pᵒ=100kPa), 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) + 4e¯ Pluspol: O₂(g) + 2 H₂O(l) + 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 positiver Pol Separator UM-IONEN-AKKU Minuspol: Zn(s) --→ Zn²+ (aq) + 2 e Pluspol: Ag₂O (s) + H₂O (1) + 2e →→ 2 Ag (s) + 2 OH(aq) Elektrolyt: Kaliumhydroxidlösung LI 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 Quellblatt Silberoxid Elektrolyse Laden + Lithium-Mangandioxid-Batterie negativer Pol Stützring Kunststoffdichtring Lithium Lithium- Minuspol: Li (s)- Li+e Pluspol: MnO₂ (s) + Li + e -- LiMnO₂ (s) Cobaltoxidschicht organischer positiver Elektrolyt Pol (Separator) Elektrolyt: LICIO4 in wasserfreiem Lösemittel, Festelektrolyte Nennspannung U in V: 1,5 bis 3,7 Verwendung: Kameras, Uhren, Herzschri tmacher, Sicherheits- und Alarmsysteme Mangandioxid Oxidation Oxidation Pluspol Minuspol III IV Entladen ||| Pluspol: Li Co CoO4 + Lit (solv) + 2 Li CoO₂ Laden 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 Zink- Kohle- Batterie Graphenschicht Minuspol: Zn (s)-> Zn(aq) + 2e Kohlestab (Kathode) Galvanische Zelle Entladen M Mangandioxid (Braunstein) 1 Laden und Entladen eines Lithium-Ionen-Akkumulators (Lithium-Ionen violett, Anionen des Elektrolyten grün) Entladen Minuspol: Li+[C] (s) Lit (solv) + C6 (s) +e- Ladlen Ammoniumchlorid (Elektrolyt) Pluspol [ MnO₂ (s)+ H₂O + e -> MnOOH (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 Co Oyoxidiert. Dabei werden Li-lonen freigesetzt. BLEI KKU 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) Trennwand Negativer Plattensatz Unterschiede zum Lithium- lonen Akku: - Aufbau - Spannung - Art der Reaktion (Rocking Chair Prinzip) beim Li-lonen Akku keine Trennwand Plattenblock für eine 2 V-Zelle Positiver Plattensatz Positive Platte (Pb0₂) ● Minuspol ● Pb ● 2e™ PbSO4 Pb²+ so² H30+ Sou BRENNST O F F Z L L • Vorteil: Edukte und Produkte können kontinuierlich zu und abgeführt werden, sodass fortlaufend chemische in elektrische Energie umgewandelt werden kann so 2H₂O + Pb²+ 4H+ 2- Elektrolyt: - Bleiakku H₂SO₂ - 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. 1 Laden und Entladen eines Bleiakkumulators • Direkt- Methanol- Brennstoffzellen: Statt Wasserstoff wird Methanol mit Luftsauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt PbSO4 2e H₂ Pluspol Laden PbO₂ Minuspol (Reduktion, PbSo4 als Akzeptor, Kathode) 11 PbSO4 (s) +2e > Pb(s) + SO4²- Pluspol (Oxidation, Donator, Anode) (1 IV PbSO4 (s) + 2H₂O(e). PbO₂ (s) + 4H+ Entladen Minuspol (Pb als Donator, Oxidation, Anode) O 2- Pb (s) + SO₂,²- (aq) PbSO4(s) + 2e Pluspol (Reduktion, Pb02 als Akzeptor, Kathode) IV PbO₂ (s) + 4H+ (aq) + S0₂² (aq) + Ze PbSO4 (s) + 2H₂O(l) L> schwerlöslich, an Elektroden Motor H+ H+ Ht H H palladinierte Nickel-Netzelektrode Separator (Protonendurchlässig) Minuspol/ Oxidation H₂ (g). 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 A Kalilauge → 2H+ + 2e 4€¯¯ + 0₂92> 2 H ₂ O (0) 2 H₂O (e)