VORANSICHT III. Wie funktioniert eigentlich eine Batterie? Physik trifft Chemie eine fachübergreifende Einheit! Der Beitrag im Überblick

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1 26. Wie funktioniert eigentlich eine Batterie? 1 von 12 Wie funktioniert eigentlich eine Batterie? Axel Donges, Isny im Allgäu Batterien und Akkumulatoren ( Akkus ) sind Energiespeicher. In ihnen ist chemische Energie gespeichert. Im Betrieb wird die chemische Energie durch eine elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Obwohl jeder Batterien und Akkumulatoren im täglichen Leben verwendet, wissen viele Schüler nicht, wie sie funktionieren. Erläutern Sie Ihren Schülern deshalb die elektrochemischen Grundlagen einer Batterie bzw. eines Akkumulators! Klasse: 9 11 Dauer: Ihr Plus: 2 Doppelstunden ü Experimentelles Arbeiten ü Wiederholungsblatt ü Lernerfolgskontrolle Die Zitronenbatterie Physik trifft Chemie eine fachübergreifende Einheit! Der Beitrag im Überblick Inhalt: galvanisches Element Batterie Akkumulator Innenwiderstand A. Donges

2 2 von Wie funktioniert eigentlich eine Batterie? Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Batterien und Akkumulatoren sind aus unserer heutigen Welt nicht mehr wegzudenken. Obwohl es sich bei der Herstellung von Batterien und Akkumulatoren um eine vergleichsweise alte Technologie handelt, ist dieser Bereich sehr innovativ. Er wird als eine wesentliche Schlüsseltechnologie der Zukunft angesehen. Insbesondere die angestrebte Elektromobilität bis zum Jahr 2020 sollen mindestens eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren zwingt zur intensiven Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts In diesem Beitrag experimentieren Ihre Schüler mit einfachsten Hilfsmitteln (z. B. Zitronen, Nägeln aus verschiedenen Metallen, Voltmeter) und erarbeiten sich so selbst die elektrochemischen Grundlagen einer Batterie (M 2, M 3). Der Einstieg gelingt Ihnen mithilfe eines Wiederholungsblatts (M 1) zur Messung von Spannung und Strom. Das Informationsblatt M 4 zur Funktionsweise eines galvanischen Elements fasst die erarbeiteten Fakten zusammen. Außerdem wird verallgemeinert. Material M 5 behandelt den Akkumulator. Den Abschluss bilden ein Schülerversuch zum Innenwiderstand einer Batterie (M 6) und eine Lernerfolgskontrolle (M 7). Fachübergreifender Unterricht Das hier behandelte Thema gehört zur Elektrochemie. Chemie, Physik und Elektrotechnik all diesen Bereichen kann man die Funktionsweise einer Batterie zuordnen. Daher eignet sich dieses Thema für fachübergreifendes Arbeiten. Der Chemielehrer behandelt die elektrochemischen Reaktionen, während der Physiklehrer die elektrotechnische Seite übernimmt. Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz E 1, E 3 E 5, F 1 F 3, K 5 F1, F 2, K 2, E1 E 7 E 1, E 3, E 4, E 5, Die Schüler Inhaltsbezogene Kompetenzen erarbeiten sich experimentell die elektrochemischen Grundlagen eines galvanischen Elements, verstehen die Funktionsweise einer Batterie bzw. eines Akkumulators, üben sich im Experimentieren. Anforderungsbereich I I, II I Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 36.

3 26. Wie funktioniert eigentlich eine Batterie? 3 von 12 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit WH = Wiederholungsblatt LEK = Lernerfolgskontrolle M 1 WH Spannungs- und Strommessung frischen Sie Ihr Wissen auf! M 2 SV Die Zitronenbatterie V: 5 min r 3 frische Zitronen r 1 digitales Voltmeter D: 15 min r 3 Kupfernägel r 3 verzinkte Nägel r 4 Kabel r 6 Krokodilklemmen M 3 Ab, SV Der elektrische Strom in einem Elektrolyten V: 5 min r 1 Batterie D: 5 min r 2 Nägel aus gleichem Material r 1 Zitrone r 2 Kabel r 2 Krokodilklemmen r 1 digitales Amperemeter M 4 Ab Die Funktionsweise eines galvanischen Elements D: 45 min M 5 Ab Die Funktionsweise eines Blei-Akkumulators D: 45 min M 6 SV, Ab Der Innenwiderstand einer Batterie V: 5 min D: 20 min r 1 Batterie oder Akku r 5 Kabel, 2 Krokodilklemmen r 1 Potentiometer ( Ω) r 1 digitales Voltmeter r 1 digitales Amperemeter M 7 LEK Die Zitronenbatterie testen Sie Ihr Wissen! (Tandembogen) Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 11. Mediathek zu M 3: stromwirkungen-chemische-wirkung zu M 4: zu M 5:

4 4 von Wie funktioniert eigentlich eine Batterie? M 1 Spannungs- und Strommessung frischen Sie Ihr Wissen auf! Grundlagen, um die Versuche zur Zitronenbatterie durchführen zu können: 1. Spannungsmessung mit einem digitalen Voltmeter a) Plus- und Minuspol der zu vermessenden Spannungsquelle mit den beiden Eingängen des Messgerätes verbinden (à siehe Gebrauchsanweisung). b) Messbereich wählen (à siehe Gebrauchsanweisung), mit großem Messbereich beginnen. c) Messgerät einschalten. d) Spannungswert ablesen. Wird eine positive (negative) Spannung angezeigt, so ist derjenige Pol der Spannungsquelle, der an COM 1 angeschlossen ist, negativ (positiv). 2. Strommessung mit einem digitalen Amperemeter a) Plus- und Minuspol der zu vermessenden Stromquelle mit den beiden Eingängen des Messgerätes verbinden (à siehe Gebrauchsanweisung). b) Messbereich wählen (à siehe Gebrauchsanweisung), mit großem Messbereich beginnen. c) Messgerät einschalten. d) Stromwert ablesen. Wird ein positiver (negativer) Strom angezeigt, so ist derjenige Pol der Stromquelle, der an COM angeschlossen ist, negativ (positiv). 3. Reihenschaltung U Man spricht von einer Reihenschaltung, wenn man mehrere Bauteile hintereinander schaltet. Bei den hier betrachteten galvanischen Elementen bedeutet das konkret, dass der Minuspol des ersten (zweiten) Elements mit dem Pluspol des zweiten (dritten) Elements verbunden wird. 4. Zusammenhang Ladung und Strom Q = I t. In Worten: Ladung ist Strom mal Zeit. 5. Ohm sches Gesetz Fließt ein Strom I durch einen Widerstand R, so fällt an ihm die Spannung U = R I ab. I Q Ω 6. Spannungsteilerformel Wird an die Reihenschaltung der Widerstände R 1 und R 2 die Spannung U ges gelegt, so fallen an den Widerständen R 1 und R 2 die folgenden Teilspannungen ab: R U= U 1 1 ges R 1 +R2 R2 und U = R +R U 2 ges Die COM-Buchse ist der gemeinsame Bezugspunkt für alle Messungen (i. d. R. Masse, Erde).

5 26. Wie funktioniert eigentlich eine Batterie? 5 von 12 M 2 Die Zitronenbatterie Wir bauen eine Batterie! Schülerversuch Vorbereitung: 5 min Durchführung: 15 min Materialien r 3 frische Zitronen r 3 Kupfernägel r 3 verzinkte Nägel r 1 digitales Voltmeter r 4 Kabel r 6 Krokodilklemmen Versuchsaufbau und -durchführung Bauen Sie drei sogenannte galvanische Elemente, indem Sie in jede Zitrone 2 jeweils einen Kupfernagel und einen ver zinkten Nagel 3 stecken (siehe Abbildung). Die beiden Nägel dürfen sich nicht berühren. Warnung: Die Zitronen nach dem Versuch nicht mehr essen oder den Saft trinken! Aufgaben 1. Messen Sie mit einem digitalen Voltmeter bei jedem galvanischen Element die elektrische Spannung zwischen den beiden Nägeln. Was beobachten Sie? Welcher Nagel lädt sich positiv auf? Zeigt das digitale Voltmeter einen positiven/negativen Spannungswert an, so ist die mit dem COM-Eingang verbundene Elektrode negativ/positiv geladen. 2. Bauen Sie eine Zitronenbatterie, indem Sie zwei bzw. drei galvanische Elemente in Reihe schalten. Was beobachten Sie? Achtung: Bei der Reihenschaltung stets einen Kupfernagel mit einem verzinkten Nagel usw. verbinden. 3. Messen Sie die Spannung an einem Element, wenn nur Kupfernägel oder nur verzinkte Nägel verwendet werden. Was beobachten Sie? A. Donges Thinkstock / Ivary Anmerkung: Ein galvanisches Element ist eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Das Wort Batterie bezeichnet im ursprünglichen Sinne eine Reihe von gleichartigen Gegenständen (z. B. Kanonen). Im engeren elektrotechnischen Sinn versteht man daher unter einer Batterie die Hintereinanderschaltung mehrerer gleichartiger galvanischer Elemente. Man verwendet den Begriff Batterie heute allerdings auch für ein einzelnes galvanisches Element. Batterien 2 Alternativ können Sie auch z. B. Äpfel oder Kartoffeln verwenden. 3 Alternativ können Sie statt Nägeln auch Münzen etc. verwenden.

6 26. Wie funktioniert eigentlich eine Batterie? 7 von 12 M 4 Die Funktionsweise eines galvanischen Elements Die Wirkungsweise eines galvanischen Elements erläutern wir nachfolgend am Beispiel einer Kuper- und Zink-Elektrode in wässriger Citronensäurelösung. Galvanisches Element ohne Verbraucher: Jedes Metall hat das Bestreben, in einem Elektrolyten mehr oder weniger stark in Lösung zu gehen. Mit anderen Worten: Die beiden Metallelektroden zerfallen teilweise in positive Metall-Ionen und negative Elektronen. Kupfer: Zink: Cu Zn 2+ Cu + 2e (1) 2+ Zn + 2e (2) Diese Reaktionen laufen auch in umgekehrter Richtung ab. Daher zerfallen die Elektroden nicht vollständig. Der Elektrolyt enthält neben den elektrolytspezifischen Ionen (H 3 O + - und C 6 H 7 O 7 - Ionen im Fall von Citronensäure) auch unterschiedliche Konzentration an Cu 2+ - und Zn 2+ -Ionen. Durch die Abgabe positiver Ionen laden sich die beiden Elektroden unterschiedlich stark auf. So entsteht eine Gleichspannung zwischen den Elektroden. Dabei nimmt diejenige Elektrode, die bereitwilliger positive Ionen abgibt (in diesem Fall Zink), das kleinere elektrische Potential an. Galvanisches Element mit Verbraucher: Werden nun Anode und Kathode über einen äußeren Stromkreis verbunden, wandern Elektronen von der Kathode zur Anode, d. h., es fließt ein elektrischer Strom. Da Elektronen von der Kathode abfließen, wird das Gleichgewicht (2) gestört. Deshalb gehen weitere Zink-Atome in Lösung. Zn 2+ Zn + 2e (Oxidation: Zink gibt Elektronen ab.) Dadurch wird der Elektronenverlust wieder ausgeglichen. Die unedlere Elektrode (mit dem niedrigeren Potential) löst sich also auf. Die über den Verbraucher zur Anode fließenden Elektronen bewirken, dass sich die Oxonium-Ionen des Elektrolyten (H 3 O + ) in Wasser und Wasserstoff umwandeln: 2 H O + 2e 2 H O + H (Reduktion: H 3 O + nimmt jeweils ein Elektron auf.) Zusammengefasst läuft also die folgende Redoxreaktion ab: 2 H O + Zn Zn + 2 H O + H (3) Dabei wird Energie freigesetzt. Das galvanische Element ist erschöpft (U = 0), wenn keine Oxonium-Ionen (H 3 O + ) mehr im Elektrolyt vorhanden sind oder sich die Kathode (Zn) vollständig aufgelöst hat. Leere galvanische Primärelemente (dazu zählt die Zitronenbatterie!) können mit einem Ladegerät nicht wieder aufgeladen werden. Dies funktioniert nur bei Akkumulatoren kurz Akkus (sogenannten galvanischen Sekundärelementen).

7 26. Wie funktioniert eigentlich eine Batterie? 11 von 12 Erläuterungen und Lösungen M 2 Die Zitronenbatterie 1. Bei jedem galvanischen Element (Zitrone mit Kupfer- und verzinktem Nagel) wird eine Spannung von circa 0,99 V gemessen (siehe Abbildung). Das Kupfer lädt sich gegenüber dem Zink positiv auf. 2. Werden zwei Elemente in Reihe geschaltet, misst man eine Spannung von circa 1,9 V. Bei drei Elementen werden circa 2,9 V gemessen. Offensichtlich gilt (im Rahmen der Messtoleranzen): Die Spannungen der einzelnen Elemente addieren sich bei Reihenschaltung. 3. Bei zwei Kupfernägeln misst man z. B. eine Spannung von 0,01 V, bei zwei verzinkten Nägeln eine Spannung von 0,03 V. Verglichen mit den zuvor gemessenen Spannungen, sind diese Werte vernachlässigbar gering. M 3 Der elektrische Strom in einem Elektrolyten 1. Bei Verwendung einer 9-Volt-Blockbatterie wurde ein Strom von 70 µa gemessen. 2. Es kann kein Stromluss mehr nachgewiesen werden. A. Donges M 6 Der Innenwiderstand einer Batterie 1. Die Messungen haben wir an einem 9-V-Blockakkumulator durchgeführt. Durch verschiedene Potentiometerstellungen wurden verschiedene Widerstände realisiert und die folgenden Messwerte gewonnen 6 : Man erkennt: U K [in V] 9,0 8,4 8,0 7,1 6,0 4,9 4,0 I [in ma] Je mehr Strom gezogen wird, umso kleiner wird die Klemmenspannung. 6 Der erste Messwert bei UK = 9,0 V wurde ohne Potentiometer aufgenommen (direkte Messung der Leerlaufspannung, d. h. R L ).

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