Bleiakkumulator – Aufladen

Bleiakkumulator – Aufladen Übung

• Gib die Bestandteile des Elektrolyts wieder, welches sich im Bleiakkumulator befindet.

  Tipps

  Das Elektrolyt ermöglicht den Ionenaustausch und damit auch den Ladungsausgleich.

  Im Bleiakkumulator befindet sich eine verdünnte Säure.

  Lösung

  Das Elektrolyt im Bleiakkumulator ist verdünnte Schwefelsäure: 25 %-Schwefelsäure. Diese nennt man daher auch in genau dieser Konzentration Batteriesäure. 75 % der Elektrolyts bildet daher auch Wasser.

• Nenne die Reaktionen, die an der Kathode und der Anode beim Aufladen der Autobatterie ablaufen.

  Tipps

  Beide Elektroden sind vor dem Aufladen mit einer Schicht aus Bleisulfat bedeckt.

  Beim Aufladen sind gegenüber dem Entladen die Kathode und die Anode vertauscht. Die Pole sind jedoch nicht vertauscht.

  Bei einer Reduktion werden Elektronen von einem Teilchen aufgenommen. Bei einer Oxidation werden diese abgegeben.

  Lösung

  Die Autobatterie wird bei jeder Fahrt dauerhaft über die Lichtmaschine aufgeladen und auch stetig von allen Verbrauchern im Auto wieder entladen. Trotz dieser Dauerbeanspruchung hat die Autobatterie eine lange Lebensdauer.

  Beim Aufladen bildet die Bleielektrode die Kathode und bleibt der Minuspol. An ihr findet die Reduktion statt.

  Die Bleioxidelektrode ist dagegen die Anode und bleibt der Pluspol. Hier läuft die Oxidation ab.

  Reduktion: $PbSO_4 + 2e^- \longrightarrow Pb + SO_4^{2-}$

  Oxidation: $PbSO_4 + 6H_2O \longrightarrow PbO_2 + SO_4^{2-} + 2e^- + 4H_3O^+$

• Bestimme die Spannung einer galvanischen Bleizelle.

  Tipps

  $\Delta$ steht für die Differenz zwischen zwei Werten.

  Das $+$ und $-$ gibt die Richtung des Elektronenflusses an. Auch $\Delta E^\circ$ hat eine Richtung.

  $\Delta E^\circ=E^\circ (\text{Kathode}) - E^\circ (\text{Anode})$

  Die Einheit der Spannung U ist das Volt V.

  Lösung

  Jede galvanische Zelle liefert eine Spannung. Diese hängt von den beteiligten Stoffe und auch von der Konzentration der Stoffe ab. Bei Feststoffen setzt man die Konzentration immer genau auf $1\frac{\text{mol}}{L}$. Dadurch kann die Konzentration vernachlässigt werden.

  Die beteiligten Stoffe kann man über die Betrachtung der Anoden- und Kathodenreaktionen ermitteln:

  Kathodenreaktion:
  $PbO_2(s)+HSO_4^-(aq)+3 H^+(aq) + 2e^- \longrightarrow PbSO_4(s) + 2H_2O(l)$

  Anodenreaktion:
  $Pb(s) + HSO_4^-(aq) \longrightarrow PbSO_4(s) + H^+(aq) + 2e^-$

  Die durch diese Reaktionen entstehenden Spannungspotentiale, gegenüber der Wasserstoffhalbzelle, waren gegeben.

  Nun brauchen wir nur noch vom Spannungspotential der Kathodenreaktion das Spannungspotential der Anodenreaktion abzuziehen.

  $\Delta E^\circ=E^\circ (\text{Kathode}) - E^\circ (\text{Anode})=+1,685 V - (-0,356 V)=+2,041V$

• Erkläre, wie der Bleiakku die für das Auto notwendigen 12 V liefern kann.

  Tipps

  Überlege, welche der Geräte elektrischen Strom für ihren Betrieb benötigen.

  Auch der Dynamo an deinem Fahrrad ist eine Lichtmaschine.

  Wenn man galvanische Zellen in Reihe schaltet, addiert sich ihre Spannung.

  Lösung

  Die Lichtmaschine des Autos lädt die Batterie auf. Sie ist ein Generator, genau wie der Dynamo an deinem Fahrrad. Der Name ist geschichtlich geprägt, da dank der Lichtmaschine, Autos mit elektrischen Scheinwerfern ausgerüstet werden konnten.

  Auch wenn die einzelnen Zellen der Batterie nur eine geringe Spannung liefern können, lassen sie sich in Reihe schalten, um ihre Spannung zu erhöhen. Eine klassische 12 Volt Batterie besitzt also 6 in Reihe geschaltete 2 Volt Zellen.

  Mit der gelieferten Spannung können alle Geräte im Auto betrieben werden und auch erst der Motor gestartet werden.

• Gib an, woraus die Elektroden der Autobatterie bestehen.

  Tipps

  In einer Elektrode hat das Blei die Oxidationszahl +4.

  Das Elektrolyt in der Batterie besteht aus Schwefelsäure.

  Lösung

  Die eine Elektrode besteht aus elementarem Blei ($Pb$). Die andere Elektrode besteht aus Blei-IV-Oxid ($PbO_2$).

  Beim Entladen bildet sich auf beiden Elektroden eine Schicht aus Blei-II-Sulfat ($PbSO_4$). Das Bleioxid wird bei der Entladung reduziert zu Bleisulfat. Das Blei wird bei der Entladung hingegen zu Bleisulfat oxidiert.

• Stelle die Reaktionsgleichungen für die Entladung des Nickel-Eisen-Akkumulators auf und berechne die Zellspannung.

  Tipps

  An beiden Elektroden muss die gleiche Anzahl von Elektronen übertragen werden.

  Mehr Elektronen erhöhen nicht die Spannung, aber die Stromstärke und damit auch die Leistung einer galvanischen Zelle.

  Lösung

  Karl kann aus den Gleichungen für den Ladevorgang relativ schnell die Gleichungen für den Entladevorgang formulieren. Dazu müssen nur jeweils die Edukte mit den Produkten getauscht werden. Zudem muss die Reaktionsgleichung vom Nickel noch mit 2 multipliziert werden, um die Elektronen auszugleichen. Durch diesen Ausgleich erhöht sich aber nicht das Standardelektronenpotential der Nickelhalbzelle.

  Achtung Da die Stromrichtung im Vergleich zum Ladevorgang genau umkehrt ist, müssen hier Kathode und Anode formal getauscht werden. Alternativ kann man für die Rechnung auch das Vorzeichen bei den Elektrodenpotenzialen tauschen, um den Richtungswechsel zu verdeutlichen.

  Reaktionsgleichungen (Entladevorgang)
  Anode: $Fe + 2 OH^- \longrightarrow Fe(OH)_2 + 2 e^- \quad | E^{\circ \!\! -}= +0,41 V$

  Kathode: $2 NiO(OH) + 2 H_2O + 2 e^- \longrightarrow 2Ni(OH)_2 + 2 OH^-\quad | E^{\circ \!\! -}= -0,929 V$

  Rechnung
  Mit der Gleichung $U = \Delta E = E(\text{Kathode})-E(\text{Anode})$ lässt sich dann leicht die Zellspannung $U$ bestimmen.

  $U = \Delta E = (-0,929 V) -0,41 V = -1,339 V$

  Für die Zellspannung beim Entladen ergibt sich also ein Spannungswert von $-1,339 V$ und zum Laden werden daher $+1,339 V$ benötigt.

  Teilt man die von Karl gewünschten $12 V$ durch $1,339 V$ kommt man auf die Zahl von $9$ Akkumulatoren, die in Reihe geschaltet sind. Würde man die Akkumulatoren parallel schalten, würde sich nicht die Spannung erhöhen, sondern die Kapazität der Akkumulatoren.