Die elektrische Energie wird durch Ionen transportiert. Ionen sind elektrisch geladene Atome bzw. Elektrolyt

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1 Galvanische Elemente Galvanische (Galvani ital.physiker) Elemente wandeln chemische in elektrische um. Sie bestehen aus zwei Elektroden (Anode, Kathode) und einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, dem Elektrolyt, welches eine wässrige Lösung von Säuren, Salzen und Basen ist. Die elektrische wird durch Ionen transportiert. Ionen sind elektrisch geladene Atome bzw. Anode (+) Kathode (-) Atomgruppen. Kennzeichnend ist die so genannte Ionenbindung. NaCl Molekül ist nach außen hin elektrisch neutral. Na besitzt 1 Valenzelektron (1 e auf der äußeren Schale (niveau). Es kann daher 1 e zur Verfügung stellen, um Edelgaszustand zu Na Elektrolyt Cl erreichen (gesättigte Außenschale). Chlor (Cl) verfügt an der äußersten Schale 7 Valenzelektronen. Es kann daher, um Edelgaszustand (8 e) zu erreichen, ein Elektron aufnehmen. Na gibt ein Elektron ab, es erhält eine positive elektrische Ladung. Es wird zu einem positiven Ion. Cl nimmt ein Elektron auf, es erhält eine negative elektrische Ladung. Es wird zu einem negativen Ion. Beide Atome bilden dann ein chemisch stabiles Molekül, welches, wie schon erwähnt, nach außen hin elektrisch neutral ist. Diese Art der chemischen Bindung wird als Ionenbindung bezeichnet. Dissoziation Wassermolekül H O 105,00 H

2 Ein Wassermolekül besteht aus 2 Wasserstoff (H) Atomen und einem Sauerstoff (O) Atom. Durch die Anordnung der drei Atome entsteht ein so genannter elektrischer Dipol. Nach außen hin sind Dipole elektrisch neutral. Sie besitzen aber im Inneren einen positiven und einen negativen Schwerpunkt. Es ist daher in einer Kochsalzlösung möglich, dass sich die Wassermoleküle an die Na und Cl-Ionen anlagern. So kommt es zur Trennung in Na-Ionen und Cl-Ionen. Im Wasser zerfallen daher die Salzmoleküle in seine Ionen. Diese Trennung in seine einfacheren chemischen Bestandteile bezeichnet man Dissoziation. Der Elektrolyt wird elektrisch leitend. Reines Wasser bzw. trockenes Kochsalz ist nicht elektrisch leitend. Stromleitung in Flüssigkeiten Wie schon oben erwähnt, erfolgt der Transport elektrischer durch Ionen. Anionen sind Ionen, die zur Anode wandern, Kathionen wandern zur Kathode. Unter Elektrolyse versteht man die Zersetzung eines Elektrolyten durch den elektrischen Strom. Anwendung der Elektrolyse Metallgewinnung Elektrolytkupfer Aluminiumgewinnung Galvanisieren Aufladen eines Blei-Akkus Spannungsreihe Unedle Metalle besitzen gegenüber Wasserstoff ein negatives elektrisches Potential. Wasserstoff bildet das Bezugselement. Es besitzt ein Null-Potential. Alle edlen (halb edle) Metalle und Kohlenstoff haben gegenüber Wasserstoff ein positives Potential. Daraus ergibt sich eine elektrochemische Spannungsreihe. Lithium hat das größte negative Potential (- 3,04V) und Gold das größte positive Potenzial (+ 1,5V) Einige Werte:

3 Werkstoff chem. Symbol Potential in V Lithium Li -3,05 Natrium Na -2,71 Aluminium Al -1,66 Zink Zk -0,76 Eisen Fe -0,45 Nickel Ni -0,26 Blei Pb -0,13 Wasserstoff H 0,00 Kupfer Cu 0,34 Kohle C 0,74 Silber Ag 0,80 Platin Pt 1,20 Das Faradaysche Gesetz: Beim Transport der durch die Ladungsträger im Elektrolyt, sind diese an Materie gebunden und eine bestimmte Menge an Ladung und Materie wird durch die Ionen transportiert. Es wird an den Elektroden eine bestimmte Stoffmenge umgesetzt, die proportional zur hindurch geflossenen Elektrizitätsmenge ist. Dieses Gesetz erkannte Faraday (engl. Physiker). m = k. Q = k. I. t m = Masse in k = elektrochemisches Äquvalent in /C Q = Elektrizitätsmenge in C (Culomb) I = Stromstärke in A t = Zeit in Sekunden (s) 1 g k H = C = 10 6 (chem. Äquivalent von Wasserstoff). 96,5 C Versuche haben ergeben, dass 1g Wasserstoff eine Ladung von C transportiert. Wenn also bei Sauerstoff (O 2 ) die 16-fache Masse und die doppelte Ladung transportiert wird, appliziert das für Sauerstoff, dass g k O =. k 2 H = C Allgemein könnte man dann für das chemische Äquivalent schreiben: k = 1 g C. Ar n = ,5 C. Ar n Ar = relative Atommasse n = Wertigkeit Ar n = Äquivalentmasse Ein praktisches Beispiel soll diesen Zusammenhang ein wenig veranschaulichen: Welche Zeit ist notwendig, um mit 5A aus einer Kupfervitriollösung 1g Cu auszuscheiden?

4 m = k. Q = k. I. t -----> Gleich nach t umformen t = t = m k. I ----> jetzt für k, m und I einsetzen. 0,0001 0, Der Wert 0, Tabelle entnommen. As 10 6 C. 1 5 A = 607,2 s = 10min 7 s ist das chemische Äquivalent für Kupfer. Dieser Wert wurde aus einer Primärelemente Zink Kohle (Leclanché) Element: Liefert 1,5 V Spannung: Zn H: -0,76 V (Spannungsreihe) C H: +0,74 V (Spannungsreihe) Zink Kohle : +0,74 V - (-0,76 V) = 1,5V Alkali-Mangan-Zelle Besitzt einen alkalischen Elektrolyten (KOH Kalilauge) und liefert ca. 1,5 V. H 2 O 2H H 2 2OH 1/2 O 2 H 2 O Anode 2e 2e Kathode Silber-Oxid-Zink-Zelle: Als Anode wird Silberoxid verwendet. Der Elektrolyt ist eine alkalische Lösung (KOH Kalilauge). Die Kathode besteht aus Zink (Zn). Diese Zelle liefert ca. 1,55 V. Sie findet sehr häufig ihre Anwendung, weil sie auslaufsicher ist. Weitere Eigenschaften sind hohe Kapazität und geringe Selbstentladung. Lithium-Zelle: Diese Zelle liefert die höchste Spannung und weist auch die höchste dichte auf. Lithium besitzt gegenüber Wasserstoff das höchste negative Potential (-3,05 V). Verwendung finden sie als Rund-und Knopfzellen, sowie zur Montage auf Leiterplatten. Sie besitzen eine geringe Selbstentladung und haben eine sehr hohe Lebensdauer (10 Jahre). Wegen des großen Temperaturbereiches, in dem sie eingesetzt werden (-50 0 C C), werden sie zur Langzeitversorgung von mikroelektronischen Schaltungen eingesetzt. im Stand-by-Betrieb müssen sie vor Ladeströmen geschützt werden. Brennstoffzelle (engl. Fuel cell): In der versorgung wird die Brennstoffzelle noch ein wesentlicher Bestandteil der Wirtschaft sein. Während beim Kohle-Zink-Element der Brennstoff Zink bereits in der Zelle vorhanden ist, muss er bei der Brennstoffzelle ständig von außen zugeführt werden.

5 Elektrische Aufladen Chemische Chemische Entladen Elektrische Der Vorgang in der so genannten Wasserstoff-Sauerstoff-(Knallgas)-Zelle ist die Umkehrung der Wasserelektrolyse. Der Vorteil ist, dass sich die Elektroden nicht verbrauchen und dass diese Form der umwandlung umweltschonend ist. Es muss lediglich das entstehende Wasser abgeleitet werden. Der Wirkungsgrad bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen liegt bei ca. 40%, hingegen bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen bei 50%. Die Betriebstemperatur beträgt ca. von C bis C. Dazu ergeben sich noch bei der Abwärmenutzung weitere 40%, sodass ein Gesamtwirkungsgrad von ca 90% erreicht wird. Lithium-Schwefeldioxid-Element: Liefert ca. 3 V Spannung (Leerlaufspannung), wobei die effektive Spannung bei 2,9 V liegt. Diese Element besitzt einen sehr hohen Wirkungsgrad. Eigenschaften: sehr hohe Lagerfähigkeit (10 Jahre bei Raumtemperatur) Wird sehr häufig bei militärischem Gerät ein gesetzt. Sekundärelemente Während Primärelemente für den einmaligen Gebrauch sind, können Sekundärelemente mehrmals verwendet werden. Darunter würde man verstehen, dass sie nach dem Entladen wieder aufgeladen werden können. Solche Elemente bezeichnet man Akkumulatoren kurz Akkus bzw. Sammler. Es gibt also einen Entlade-und einen Auflade-Vorgang. Beim Ladevorgang wird elektrische in chemische umgewandelt. Beim Entlade- Vorgang tritt der umgekehrte Prozess ein. Chemischer wird in elektrische umgewandelt. Der bekannteste Akku ist der Blei-Akku (Pb) Prinzip Das Vermögen, zu speichern, was als Kapazität bezeichnet wird, wird in Amperestunden (Ah) angegeben. Die Kapazität ist groß, wenn ein kleiner Ladestrom fließt. Q = I. t Mit dem Aerometer (Senkwaage) wird die Säuredichte (30%-ige H 2 SO 4 ) festgestellt und gemessen. Die kleinste Entladespannung beim Pb-Akkus ist 1,8 V. Beim Ladevorgang sollten einige Punkte beachtet werden: Normalladung: Der Pb-Akku wird in ca 10 Stunden aufgeladen. Die Spannung in der Zelle steigt auf 2,7 V an. Bei 2,4 V beginnt die Zelle zu gasen. Es entsteht Wasserstoff (H 2 )und Sauerstoff (O), welches ein hochexplosives Gas (Knallgas) bildet. Daher sollte beim Laden offenes Feuer und Licht vermieden werden. Man sollte auch nicht rauchen. Wie wird nun die erforderliche Ladespannung ermitteltß U L = n. 2,75 V; n = Zellenanzahl. Zu beachten ist auch, dass die Verschlusskappen der Zellbehälter vor dem Laden entfernt

6 werden müssen, damit die Gasungsprodukte entweichen können. Fehlende Flüssigkeit wird durch destilliertes Wasser ergänzt. Pb-Akkus werden in Fahrzeugen zur elektrischen versorgung eingesetzt und haben bei sorgsamer Pflege eine Lebensdauer von ca. 4 Jahren. Da in Pb-Akkus verdünnte Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) verwendet ist und die ätzend ist, ist Vorsicht geboten. Weiters sollte man auf das stark hygroskopische Verhalten der Säure achten. (zieht Wasser stark an). Ein wichtiger Begriff ist der Memory-Effekt, der große Beachtung finden sollte. Man versteht darunter das Absinken der nutzbaren Kapazität (C), welche durch unvollständiges Entladen bzw. lange Ladezyklen mit kleinen Strömen verursacht wird. Grundsätzlich sollte ein Akku erst aufgeladen werden, wenn das elektrische Gerät nicht mehr betrieben werden kann.