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Elektrochemie / elektrische Energiequellen

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 redoxreaktionen
Reduktion:
Oxidation:
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Zusammenfassung Elektrochemie - Redoxreaktionen, Redoxreihe der Metalle, galvanische Zellen, Batterien, Akkus, Brennstoffzellen

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redoxreaktionen Reduktion: Oxidation: Redoxreaktion: Elektronen donatoren: Elektronenakzeptoren: Reduktionsmittel (Red): Oxidationsmittel (Ox): Redoxpaare: Je unedler ein Metall ist, desto mehr tendieren die Atome dazu Elektronen abzu- geben Allgemeine Redoxgleichung: Reduktion Ox + ze= Red : Oxidation Red₂ -> Ox₂ + ze Redoxreak.: Ox₁ + Red₂ > Red₁ + 0x₂ (Redoxpaare : Ox/Rech und Ox₂/Redz redoxreihe dermetalle Ordnung der Metalle nach ihrem edlen Charakter. Damit ein Metall aus seiner Salzlösung abgeschieden werden kann, muss es mit einem unedleren Metall kombiniert werden. Atome unedler Metalle geben leicht Elektronen ab, sie werden von verdünnten Säuren unter Wasserstoff entwicklung zu den entsprechenden Metall- Kationen oxidiert. Edelmetalle lassen sich nur schwer oxidieren → Aufnahme von Elektronen Abgabe von Elektronen Elektronen übertragungs reaktion Teilchen, die Elektronen abgeben Teilchen, die Elektronen aufnehmen Lit Stoff, dessen Teilchen Elektronen abgeben Stoff, dessen Teilchen Elektronen aufnehmen Teilchenpaare, die durch Elektronen übertragung ineinander überführt werden unedel elektrische energiequellen Li Mg Al Tendenz zur Elektronenabgabe galy anische zellen Kennzeichen: 2n 2+ Mg²+ A1st Zn²+ Fe Ni Fest Ox + ze Red Sn Elektrolyt: Stoffe oder Mischungen, die lonen enthalten Elektrode: Elektronenleiter in Kontakt mit Elektrolyten Pb Ni²+ Sn²+ Pb²+ elektrochemische Quellen, die chemische in elektrische Energie wandeln Reduktion und Oxidation laufen freiwillig räumlich getrennt in zwei Halbzellen ab. Bestandteile: Elektroden und Elektrolyte H₂ Cu Ag An den Elektroden einer galvanischen Zelle kann eine Spannung gemessen werden Bei Anschluss eines Energie Wandlers an die Zelle fließt ein elektrischer Strom und an den Elektroden werden Stoffe umgesetzt Ziel: chemische Energie in elektrische Energie umwandeln (Umkehrung Elektrolyse) Tendenz zur Elektronen aufnahme H+ (z ist die Zahl der ausgetauschten Elektronen) Redoxpaar...

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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)

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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)