GALVANISCHE ELEMENTE, BATTERIEN UND BRENNSTOFFZELLEN

Transkript

1 10. Einheit: GALVANISCHE ELEMENTE, BATTERIEN UND BRENNSTOFFZELLEN Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 1 von 17

2 ZIELE DER HEUTIGEN EINHEIT Am Ende der Einheit Galvanische Elemente, Batterien und Brennstoffzellen.. Sind Sie in der Lage die Begriffe Oxidation, Reduktion und Redoxreaktion zu definieren und korrekt zu verwenden. sind Sie in der Lage ein Daniell-Element zu skizzieren und zu beschriften. kennen Sie die Unterschiede zwischen einer Galvanischen Zelle und einer Elektrolysezelle. sind Sie in der Lage die Prozesse der Knallgasreaktion und der Brennstoffzelle miteinander zu vergleichen. sind Sie in der Lage mit Hilfe der Spannungsreihe die Potenzialdifferenz (Spannung) der Galvanischen Zellen zu bestimmen Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 2 von 17

3 WIEDERHOLUNG der Messstab besteht aus zwei Elektroden mit definierter Größe und Abstand Verwendung von Wechselspannung kein Veränderung der Lösung (bzw. der Ionen) und Elektroden konstante Bedingungen Leitfähigkeitsmessung gibt Gehalt gelöster Ionen in der Lösung an! Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 3 von 17 M. Tausch: Chemie 2000+, S.196 B3

4 WIEDERHOLUNG Gleichspannung vs. Wechselspannung? Gleichspannung: Plus- und Minus-Pol bleiben örtlich konstant Ionen können bis zur Elektrode wandern Chemische Reaktionen an den Elektroden finden statt Anode: Oxidation Kathode: Reduktion Wechselspannung: Plus- und Minus-Pol wechseln örtlich 60x in der Sekunde Ionen können nicht bis zu den Elektroden wandern Keine chemische Reaktion Konstante Bedingungen Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 4 von 17

5 WIEDERHOLUNG Bei einer Protolysereaktion werden ein oder mehrere Protonen (H + -Ionen) von einem Donator auf einen Akzeptor übertragen. Säuren (Protonen-Donatoren) HA aq Säure + H 2 O l A aq Säurerest + H 3 O + aq Basen (Protonen-Akzeptoren) B aq [Base] + H 2 O l HB aq protonierte Base + OH (aq) Beachten Sie die charakteristischen Teilchen in Wasser! Wasser kann als Akzeptor und Donator reagieren! Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 5 von 17

6 ELEKTROLYSE GALVANISCHE ZELLE durch Anlegen einer Gleichspannung werden Redoxreaktionen erzwungen die möglichen Redoxreaktionen finden nicht spontan statt Energie in Form von Strom muss aufgebracht werden Beispiele Elektrolyse von Kupfersulfat-Lösung (Versuch 10.2), Chloralkali-Elektrolyse (Herstellung von Chlor, NaOH), Schmelzflusselektrolyse (Herstellung von Aluminium) Fazit: Stromenergie nutzen um Stoffe herzustellen, die wir so nicht erhalten Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 6 von 17

7 ELEKTROLYSE GALVANISCHE ZELLE Anderes Beispiel: Eintauchen eines Zinkblechs in eine Kupfersulfat-Lösung Kupfer scheidet sich auf dem Zinkblech spontan ab Energie wird frei durch Änderung des Versuchsaufbaus könnte diese Energie genutzt werden Wie? Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 7 von 17

8 GALVANISCHE ZELLE - AUFBAU Räumliche Auftrennung in zwei Kammern (Halbzellen) das Zinkmetall taucht in Zinksulfat-Lösung das Kupfermetall taucht in Kupfersulfat-Lösung die Bleche werden leitend miteinander verbunden die Lösungen stehen miteinander in Kontakt Es lässt sich eine Spannung und ein Strom messen Halbzelle Halbzelle Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 8 von 17 M. Tausch: Chemie 2000+, S.138 B3

9 GALVANISCHE ZELLE VORGÄNGE Zink ist unedler als Kupfer Zinkatome geben Elektronen ab die freigewordenen Elektronen wandern durch das Kabel zum Kupferblech Kupfer-Ionen nehmen Elektronen auf Abscheidung als Kupferatome auf dem Kupferblech Es entsteht ein Elektronenfluss (Strom) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 9 von 17

10 GALVANISCHE ZELLE - SPANNUNG Metall (M) und Metall-Kation (M + ) bilden ein sogenanntes Redoxpaar jedes Redoxpaar hat ein Redoxpotenzial E (in Volt) die Spannung einer Galvanischen Zelle lässt sich vereinfacht aus der Differenz der Redoxpotenziale errechnen Beispiel Daniell-Element: Cu/Cu 2+ : +0,35 V Zn/Zn 2+ : -0,76 V U = +0,35 V 0,76 V = 1,11 V M. Tausch: Chemie 2000+, S.149 B4 Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 10 von 17

11 DIE BRENNSTOFFZELLE (1) gilt als Batterie der Zukunft vom Prinzip her umweltfreundlich hoher Wirkungsgrad elektrochemische Umsetzung mit Luftsauerstoff (keine Verbrennung) Zugriff: :57 Wasserstoffgas und Sauerstoffgas reagieren zu Wasser und erzeugen dabei Strom Oxidation: Reduktion: 2 H H 2 O 4 H 3 O e O H 3 O e 6 H 2 O Gesamt: 2 H 2 g + O 2 g 2 H 2 O (l) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 11 von 17

12 DIE BRENNSTOFFZELLE (2) Oxidation und Reduktion laufen räumlich getrennt ab oxidierte Protonen gelangen durch Membran und Elektrolyt zum Oxidationsmittel Sauerstoff abgegebene Elektronen fließen in den äußeren Stromkreis zur Energiegewinnung Elektrolyt Membran Membran Zugriff: :45 Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 12 von 17

13 10.1. DANIELL-ELEMENT Kupfer ist edler als Zink Entstehung einer Spannung zwischen den Halbzellen Zinkatome werden oxidiert (Reduktionsmittel) Anode: Zn Zn e Donator-Halbzelle Akzeptor-Halbzelle Kupfer-Ionen werden reduziert (Oxidationsmittel) Kathode: Cu e Cu Elektronenaustausch findet statt M. Tausch: Chemie 2000+, S.139 B6 Donator-Halbzelle Akzeptor-Halbzelle Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 13 von 17

14 Reaktion findet an Drei-Phasen-Grenze statt Kaliumnitrat-Lösung als Elektrolyt für Ladungsausgleich grobporige Graphitelektrode stellt Sauerstoff bereit nur wenn Sauerstoff vorhanden ist Zink wird oxidiert E(Zn/Zn 2+ ) = -0,76 V Sauerstoff wird reduziert E(O 2 /OH - ) = +0,40 V Anode: ZINK-LUFT-BATTERIE Zn Zn e Kathode: O H 2 O + 4e 4 OH Akzeptor- Halbzelle Gesamt: 2 Zn s + O 2 g + 2 H 2 O l 2 Zn 2+ aq + 4 OH (aq) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 14 von 17 Donator- Halbzelle

15 10.3. WASSERSTOFF-SAUERSTOFF- BRENNSTOFFZELLE Der Betrieb einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoff- Zelle läuft in zwei Schritten ab: Schritt 1: Die Zelle wird geladen die Lösung wird einige Zeit mit einer Gleichspannungsquelle elektrolysiert Sauerstoff und Wasserstoff entstehen an den Graphit- Elektroden Schritt 2: Entladen/ Betrieb der Brennstoffzelle entstandener Sauerstoff und Wasserstoff werden verbraucht Motor bzw. Messgerät können angeschlossen werden Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 15 von 17

16 10.3. WASSERSTOFF-SAUERSTOFF- BRENNSTOFFZELLE Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 16 von 17

17 10.3. WASSERSTOFF-SAUERSTOFF- BRENNSTOFFZELLE Schritt 1 (Ladevorgang/Gasentstehung): Anode (Pluspol): 4 OH O H 2 O + 4e Kathode (Minuspol): 4 H 2 O + 4 e 2 H OH Gesamt: 2 H 2 O l 2 H 2 g + O 2 (g) Schritt 2 (Entladevorgang): Kathode: O H 2 O + 4e 4 OH Anode: 2 H OH 4 H 2 O + 4 e Gesamt: 2 H 2 g + O 2 (g) 2 H 2 O l Die Brennstoffzelle ergibt weniger Spannung als eine Zink-Luft-Batterie (U = 0,40 V statt U = 1,16 V) Sebastian Spinnen, Ingrid Reisewitz-Swertz 17 von 17