Lernzirkel Batterien. Name der Gruppe: Laufzettel

Transkript

1 Batterien Laufzettel Name der Gruppe: Ob im Handy, im MP3-Player oder im Notebook ohne Batterien oder Akkus sind diese und viele andere Geräte unseres Alltags nicht funktionsfähig. Wie wichtig diese mobilen Energiequellen sind, fällt dir meistens erst auf, wenn sie entladen sind. Obwohl man das Prinzip der Batterie schon seit über 200 Jahren kennt, haben sie erst in den letzten 40 Jahren eine weite Verbreitung und Anwendung gefunden. An den folgenden Stationen kannst du erfahren, wie verschiedene mobile Energiequellen aufgebaut sind, wie sie funktionieren, wo man sie verwendet und was zu beachten ist, wenn sie entladen sind. Die Stationen sind: Station 1:Die Taschenlampenbatterie (Alkali-Mangan-Batterie) Station 2:Der Blei-Akku Station 3:Die Brennstoffzelle Zusatzstation 1:Die Batterie auf der Platine Zusatzstation 2:Die Robinson-Batterie Zusatzstation 3:Recycling von Autobatterien Zur Arbeit an den Stationen: Ihr arbeitet bei diesem in Gruppen selbstständig an verschiedenen Stationen. An jeder Station findet ihr ein Arbeitsblatt mit Informationen und Arbeitsanweisungen. Wenn ihr die Aufgaben gelöst habt, könnt ihr eure Lösungen mit denen der Lehrerin oder des Lehrers vergleichen. Die jeweils erste Gruppe an einer Station ist dafür verantwortlich, die benötigten Materialien vom Lehrertisch zu holen, die jeweils letzte Gruppe an einer Station sorgt für das Aufräumen der Materialien. Jede Gruppe bearbeitet die Stationen 1 3 sowie mindestens eine Zusatzstation. Bei der Bearbeitung ist die Reihenfolge der Stationen 1 3 beliebig. Ihr müsst eure Zeit allerdings so einteilen, dass ihr die drei Pflichtstationen und eine Wahlstation in der vom Lehrer vorgegebenen Zeit bearbeiten könnt. Die Stationen werden aufgeräumt und sauber verlassen, die Gruppen arbeiten ruhig ohne andere Gruppen zu stören. Zu eurer Übersicht füllt nach jeder Station diese Tabelle aus. Station Z1 Z2 Z3 bearbeitet Aufgaben richtig Kommentar Elektrisch mobil 172

2 Station 1:Die Taschenlampenbatterie Auch wenn wir in unseren mobilen elektrischen Geräten wie MP3-Player, Handy oder Digitalkamera häufig Akkus verwenden, bestehen auch für Batterien noch immer viele Anwendungsbereiche. Ein Beispiel sind Taschenlampen. Die dafür verwendeten Batterien werden landläufig oft als Taschenlampenbatterie bezeichnet. Handelsbezeichnungen wie AA, Mignonzelle oder Babyzelle sind auch häufig zu finden. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um einen bestimmten Batterietyp die Alkali-Mangan-Batterie. Im Handel heißen diese Batterien dann beispielsweise Alkaline. Alkali-Mangan-Batterien sind eine Weiterentwicklung der früheren Zink-Kohle-Batterien. Versuch: Untersuchung einer Alkali-Mangan-Batterie Materialien: aufgeschnittene Alkali-Mangan-Batterie, verschiedene Alkali-Mangan-Batterien, Universalindikatorpapier, Kabel mit Prüfspitzen, Spannungsmessgerät. Durchführung: 1. Prüfe mit dem Spannungsmessgerät an einigen Batterien die Spannung und trage Pluspol und Minuspol in die Zeichnung ein. 2. Betrachte eine in Längsrichtung aufgeschnittene Alkali-Mangan-Batterie und fertige eine Zeichnung an. 3. Prüfe den pulverigen Bereich der aufgeschnittenen Batterie mit einem feuchten Streifen Universalindikator-Papier. Aufgaben: a) Beschrifte deine Zeichnung sowie die Modellzeichnung. b) Beschreibe und deute deine Beobachtungen aus dem Versuchsschritt 3. Erläutere den Namensteil Alkali. c) Formuliere die Reaktionsgleichungen für die Teilreaktionen an den beiden Elektroden. d) Erläutere, warum das Zinkmetall in dieser Batterie den Minuspol bildet. Deine Zeichnung Elektrisch mobil 173

3 Station 2:Der Blei-Akku Aufladen Entladen Batterien haben den Nachteil, dass sie nach dem Gebrauch nicht wieder aufgeladen werden können. Dies ist bei Akkumulatoren, kurz Akkus anders: Durch Anlegen einer äußeren Spannung lassen sich die für die Erzeugung von Strom genutzten Reaktionen wieder umkehren. Der Blei-Akkumulator oder kurz Blei-Akku gehört zu den ältesten Akkumulatoren, die heute noch verwendet werden. Am häufigsten begegnet er uns in Kraftfahrzeugen als Starterbatterie, die den Anlasser des Motors beim Starten mit Strom versorgt. Wegen dieser Verwendung hat sich auch der Name Autobatterie durchgesetzt. Der Blei-Akku ist ein zusammengesetzter Akku, da er aus mehreren Zellen besteht, in denen die Strom liefernde Reaktion abläuft. Jede Zelle liefert eine Spannung von etwa 2 V. Heute üblich sind Akkumulatoren mit 12 V im Pkw oder 24 V im Lkw, gelegentlich gibt es auch noch Akkus mit 6 Volt für ältere Pkw oder Motorräder. Außer im Kraftfahrzeug werden Blei-Akkus zur Notstromversorgung eingesetzt, um die Zeit zwischen dem Stromausfall und dem Anlaufen der Notstromaggregate zu überbrücken. Dazu werden mehrere 100 Akku-Zellen parallel und in Reihe geschaltet, um die notwendigen Stromstärken und Spannungen zu erhalten. Bis vor gut 15 Jahren verfügten Blei-Akkus noch über eine Nachfüllöffnung, um verdunstetes Wasser oder die bei den chemischen Reaktionen verbrauchte, etwa 25%ige Schwefelsäure nachzufüllen. Heute sind die Starterbatterien luftdicht verschlossen. Die Strom liefernde Reaktion im Blei-Akku kann durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben werden: Pb (s) +PbO 2 (s) +4H + (aq) +2SO 4 2 (aq) 2PbSO 4 (s) +2H 2 O(l) 1. Gib den Namen und die Formel der Säure an, die sich im Blei-Akku befindet. Beschreibe ihre Funktion im Akku. 2. Gib an, wie viele Zellen ein Blei-Akku enthalten muss, damit dieser eine Spannung von 12 V liefert. 3. Formuliere mithilfe der Abbildungen für die am Minuspol und am Pluspol beim Entladen und beim Laden ablaufenden Reaktionen als Teilreaktionsgleichungen. Erkläre an dem Beispiel die Umkehrbarkeit von chemischen Reaktionen. 4. Beschreibe, wie sich die Konzentration der Schwefelsäure beim Entladen und beim Laden verändert. Elektrisch mobil 174

4 Station 3:Die Brennstoffzelle Die Brennstoffzelle wurde imjahr 1839 vom englischen Naturforscher Robert GROVE als eine mit Gasen arbeitende Galvanische Zelle vorgestellt. Durch Elektrolyse von verdünnter Schwefelsäure an Platinelektroden erzeugte GROVE in der links abgebildeten Apparatur die Gase Wasserstoff und Sauerstoff. Nachdem er die Gleichspannungsquelle ausgeschaltet und durch ein Spannungsmessgerät ersetzt hatte, konnte er eine Spannung messen. Auch moderne Brennstoffzellen arbeiten nach dem gleichen Prinzip. 1. Beschrifte die Schnittzeichung der modernen Brennstoffzelle. (1) (2) (3) 2. Beschreibe die Funktionsweise einer Brennstoffzelle mithilfe der rechten Abbildung. Gehe dabei auch auf die Bedeutung der Elektrolytmembran ein. 3. a) Stelle die Reaktionsgleichungen für die am Pluspol und am Minuspol ablaufenden Vorgänge auf. b) Zeichne die Richtung des Elektronenflusses in die rechte Abbildung ein. 4. Erkläre, warum die Brennstoffzelle eine Umkehrung der Wasserzerlegung bei der Elektrolyse darstellt. 5. Diskutiere den Einsatz von Brennstoffzellen in einem Pkw. Liste dazu Chancen aber auch Probleme auf. Elektrisch mobil 175

5 Zusatzstation 1: Die Batterie auf der Platine Für die Stromversorgung der Hauptplatine eines Computers, von Herzschrittmachern und hochwertigen Fernbedienungen werden vielfach Lithium-Batterien (Li-MnO 2 -Knopfzellen) verwendet. Aufbau einer Li-MnO 2-Knopfzelle 1. Beschreibe den Aufbau einer Lithium-Batterie mithilfe der Abbildung. 2. Gib die Vorteile der Verwendung der Lithium-Batterie in den oben genannten Geräten an. 3. In der Lithium-Batterie ist der Separator mit einem Elektrolyten aus Lithiumperchlorat (LiClO 4 )ineinem organischen Lösemittel getränkt. Begründe weshalb man ausschließlich nicht wässrige Elektrolyte in dieser Batterie verwenden darf. 4. Erstelle aus deinen Kenntnissen der Alkalimetalle einen kurzen Steckbrief, aus dem hervorgeht, warum Lithium ein besonders geeignetes Metall für Batterien und Akkus ist. Elektrisch mobil 176

6 Zusatzstation 2: Die Robinsohn -Batterie Versuch: Die Robinsohn -Batterie Materialien: Becherglas, Zinkblech als Elektrode, Kohleelektrode, Kabel mit Prüfspitzen, Spannungsmessgerät, Elektromotor mit Propeller, Krokodilklemmen, Lupe, neue Hörgerätebatterie, verbrauchte Hörgerätebatterie, Zange und Schraubenzieher, Universalindikatorpapier; Kaliumhydroxid-Lösung (w = 20%;C). Durchführung: 1. Miss mit dem Voltmeter die Spannung der neuen Hörgerätebatterie mit und ohne Verschlussaufkleber. 2. Öffne mit Zange und Schraubenzieher vorsichtig eine neue und eine verbrauchte Hörgerätebatterie. 3. Betrachte den Aufbau und das Aussehen beider Batterien mit der Lupe. 4. Tupfe ein angefeuchtetes Indikatorpapier auf den Inhalt der Batterien. 5. Fülle das Becherglas etwa zur Hälfte mit Kalilauge. 6. Stelle die beiden Elektroden einander gegenüber in das Becherglas und fixiere sie mit den Krokodilklemmen am Rand des Becherglases, so dass sich die Elektroden nicht berühren können. 7. Verbinde die Elektroden mit den Krokodilklemmen und den Kabeln zunächst mit dem Spannungsmessgerät und anschließend mit dem Motor. 8. Nimm die Kohleelektrode aus der Lösung, sobald der Motor aufgehört hat sich zu drehen, tupfe sie mit einem Tuch ab und schwenke die Elektrode ein paar Mal durch die Luft. Schließe die Elektrode anschließend wieder an und tauche sie wieder in die Elektrolyt-Lösung. Aufgaben: a) Erkläre die Aufgabe des Aufklebers der Hörgerätebatterie, deute deine Beobachtung mit dem Indikatorpapier. b) Vergleiche das Aussehen des Inhalts der beiden geöffneten Hörgerätebatterien und ordne mögliche Stoffe zu. c) Formuliere die Reaktionsgleichungen für die am Minuspol und am Pluspol ablaufenden Reaktionen. d) Erkläre die Beobachtungen beim Modellversuch. Gehe dabei besonders auf die Bedeutung des Schwenkens der Kohleelektrode an der Luft ein. Elektrisch mobil 177

7 Zusatzstation 3: Recycling von Autobatterien Arbeitsblatt Ein wichtiges Wort im Jahr 2009 war Abwrack- Prämie. Autos älterer Baujahre sollten zugunsten neuer umweltfreundlicher Fahrzeuge vorzeitig verschrottet werden. Viele Bauteile aus einem Pkw werden dabei in den Stoffkreislauf zurückgeführt, recycelt, soauch die Autobatterie. 1. Ordne wesentliche Begriffe aus dem Text den Ziffern in der Abbildung zu. (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) Zunächst wird die Batterie ausgebaut. Dasie mit 25%iger Schwefelsäure gefüllt ist, muss die Säure entleert, gesammelt, wieder aufgearbeitet oder neutralisiert werden. Die säurefreie Batterie wird dann mechanisch zerkleinert. Dabei bilden sich eine Grobfraktion und eine Feinfraktion. Erstere besteht aus dem zerkleinerten Batteriekunststoffgehäuse, aus dem Blei sowie dem Metall der Anschlüsse. Inder Feinfraktion finden sich die Blei-Verbindungen Bleidioxid und Bleisulfat wieder. Grob- und Feinfraktion werden durch ein Sieb getrennt. Die Grobfraktion wird nochmals zerkleinert und in eine Salzlösung höherer Dichte gegeben. In dieser Salzlösung sinkt das Blei zu Boden, die Kunststoffteile schwimmen auf der Lösung. Der Kunststoff wird nun dem Kunststoffrecycling zugeführt. Die Blei-Verbindungen aus der Feinfraktion werden mit Kohlenstoff zum Metall reduziert. Dieses metallische Blei wird dann zusammen mit dem Blei der Grobfraktion als Bleischmelze gereinigt. Das so erhaltene Recyclingblei wird neu legiert und wieder in Autobatterien eingesetzt. 2. Beschreibe und bewerte aus deiner Sicht die Bedeutung der Stoffwiederverwertung am Beispiel der Autobatterie. Elektrisch mobil 178