Galvanische Zelle
Eine chemische Zelle wandelt chemische Energie in elektrische Energie um. Die meisten Batterien sind chemische Zellen. Eine chemische Reaktion findet im Inneren der Batterie statt und bewirkt, dass elektrischer Strom fließt.
Es gibt zwei Haupttypen von Batterien - solche, die wiederaufladbar sind, und solche, die es nicht sind.
Eine Batterie, die nicht wiederaufladbar ist, liefert solange Elektrizität, bis die Chemikalien in ihr verbraucht sind. Dann ist sie nicht mehr nützlich. Man kann sie zu Recht als "Nutzen und Werfen" bezeichnen.
Eine wiederaufladbare Batterie kann wieder aufgeladen werden, indem elektrischer Strom rückwärts durch die Batterie geleitet wird; sie kann dann wieder verwendet werden, um mehr Elektrizität zu erzeugen. Es war Gaston Plante, ein französischer Wissenschaftler, der diese wiederaufladbaren Batterien 1859 erfand.
Batterien gibt es in vielen Formen und Größen, von sehr kleinen, die in Spielzeug und Fotoapparaten verwendet werden, bis hin zu solchen, die in Autos verwendet werden, oder sogar größeren. U-Boote benötigen sehr große Batterien.
Arten von chemischen Zellen
- Einfache Zelle
- Trockene Zelle
- Nasszelle
- Brennstoffzelle
- Solarzelle
- Elektrische Zelle
Elektrochemische Zellen
Eine äußerst wichtige Klasse von Oxidations- und Reduktionsreaktionen wird eingesetzt, um nützliche elektrische Energie in Batterien bereitzustellen. Eine einfache elektrochemische Zelle kann aus Kupfer- und Zinkmetallen mit Lösungen ihrer Sulfate hergestellt werden. Während des Reaktionsprozesses können Elektronen vom Zink auf das Kupfer über einen elektrisch leitenden Pfad als nützlicher elektrischer Strom übertragen werden.
Eine elektrochemische Zelle kann durch Einbringen von metallischen Elektroden in einen Elektrolyten geschaffen werden, wo eine chemische Reaktion entweder einen elektrischen Strom verwendet oder erzeugt. Elektrochemische Zellen, die einen elektrischen Strom erzeugen, werden voltaische Zellen oder galvanische Zellen genannt, und übliche Batterien bestehen aus einer oder mehreren solcher Zellen. In anderen elektrochemischen Zellen wird ein von außen zugeführter elektrischer Strom verwendet, um eine chemische Reaktion anzutreiben, die nicht spontan ablaufen würde. Solche Zellen werden elektrolytische Zellen genannt.
Voltaische Zellen
Eine elektrochemische Zelle, die einen externen elektrischen Stromfluss verursacht, kann mit zwei verschiedenen Metallen hergestellt werden, da Metalle sich in ihrer Neigung, Elektronen zu verlieren, unterscheiden. Zink verliert leichter Elektronen als Kupfer, so dass das Einbringen von Zink und Kupfermetall in Lösungen ihrer Salze dazu führen kann, dass Elektronen durch einen externen Draht fließen, der vom Zink zum Kupfer führt. Wenn ein Zinkatom die Elektronen liefert, wird es zu einem positiven Ion und geht in wässrige Lösung, wodurch die Masse der Zinkelektrode verringert wird. Auf der Kupferseite ermöglichen es die beiden erhaltenen Elektronen, ein Kupferion aus der Lösung in ein ungeladenes Kupferatom umzuwandeln, das sich auf der Kupferelektrode niederschlägt, wodurch die Masse der Kupferelektrode erhöht wird. Die beiden Reaktionen werden typischerweise geschrieben
Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e-
Cu2+(aq) + 2e- --> Cu(s)
Die Buchstaben in Klammern erinnern nur daran, dass das Zink von einem Festkörper (s) in eine wässrige Lösung (aq) übergeht und umgekehrt für das Kupfer. Es ist typisch in der Sprache der Elektrochemie, diese beiden Prozesse als "Halbreaktionen" zu bezeichnen, die an den beiden Elektroden ablaufen.
| Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e- |
|
| Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s) |
Damit die Voltaik-Zelle weiterhin einen externen elektrischen Strom erzeugen kann, muss eine Bewegung der in Lösung befindlichen Sulfationen von rechts nach links erfolgen, um den Elektronenfluss im externen Stromkreis auszugleichen. Die Metallionen selbst müssen daran gehindert werden, sich zwischen den Elektroden zu bewegen, daher muss eine Art poröse Membran oder ein anderer Mechanismus für die selektive Bewegung der negativen Ionen im Elektrolyten von rechts nach links sorgen.
Energie wird benötigt, um die Elektronen zu zwingen, sich von der Zink- zur Kupferelektrode zu bewegen, und die Menge an Energie pro Ladungseinheit, die von der voltaischen Zelle zur Verfügung steht, wird als elektromotorische Kraft (EMK) der Zelle bezeichnet. Die Energie pro Ladungseinheit wird in Volt ausgedrückt (1 Volt = 1 Joule/Coulomb).
Es liegt auf der Hand, dass man, um Energie aus der Zelle zu gewinnen, mehr Energie aus der Oxidation des Zinks freisetzen muss, als zur Reduktion des Kupfers nötig ist. Die Zelle kann aus diesem Prozess eine endliche Menge an Energie gewinnen, wobei der Prozess durch die Menge des entweder im Elektrolyten oder in den Metallelektroden verfügbaren Materials begrenzt ist. Befindet sich beispielsweise ein Mol der Sulfationen SO42- auf der Kupferseite, dann beschränkt sich der Prozess auf die Übertragung von zwei Mol Elektronen durch den externen Stromkreis. Die Menge der elektrischen Ladung, die in einem Mol Elektronen enthalten ist, wird als Faraday-Konstante bezeichnet und ist gleich der Avogadro-Zahl mal der Elektronenladung:
Faraday-Konstante = F = NAe = 6,022 x 1023 x 1,602 x 10-19 = 96.485 Coulombs/Mol
Die Energieausbeute einer voltaischen Zelle ergibt sich aus der Zellspannung mal der Anzahl der übertragenen Elektronenmol mal der Faraday-Konstante.
Elektrische Energieleistung = nFE-Zelle
Die Zell-EMK-Zelle kann aus den Standardelektrodenpotentialen für die beiden Metalle vorhergesagt werden. Für die Zink/Kupfer-Zelle beträgt das berechnete Zellpotential unter den Standardbedingungen 1,1 Volt.
Einfache Zelle
Eine einfache Zelle hat typischerweise Platten aus Kupfer (Cu) und Zink (Zn) in verdünnter Schwefelsäure. Das Zink löst sich auf und Wasserstoffblasen erscheinen auf der Kupferplatte. Diese Wasserstoffblasen stören den Stromdurchgang, so dass eine einfache Zelle nur für kurze Zeit verwendet werden kann. Um einen gleichmäßigen Strom zu liefern, ist ein Depolarisator (ein Oxidationsmittel) erforderlich, um den Wasserstoff zu oxidieren. In der Daniel-Zelle ist der Depolarisator Kupfersulfat, das den Wasserstoff gegen Kupfer austauscht. In der Leclanche-Batterie besteht der Depolarisator aus Mangandioxid, das den Wasserstoff zu Wasser oxidiert.
Einfache Zelle
Daniel-Zelle
Der englische Chemiker John Frederick Daniell entwickelte 1836 eine voltaische Zelle, die Zink und Kupfer und Lösungen ihrer Ionen verwendete.
Schlüssel
- Zinkstab = Minuspol
- H2SO4 = verdünnter Schwefelsäure-Elektrolyt
- Poröser Topf trennt die beiden Flüssigkeiten
- CuSO4 = Kupfersulfat-Depolarisator
- Kupfertopf = Pluspol
Schema einer Daniel-Zelle
Fragen und Antworten
F: Was ist eine chemische Zelle und was ist ihr Zweck?
A: Eine chemische Zelle ist ein Gerät, das chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Ihr Zweck ist es, durch eine chemische Reaktion elektrischen Strom zu erzeugen.
F: Was sind die meisten Batterien?
A: Die meisten Batterien sind chemische Zellen.
F: Was geschieht im Inneren einer Batterie, damit elektrischer Strom fließt?
A: Im Inneren der Batterie findet eine chemische Reaktion statt, die den elektrischen Strom zum Fließen bringt.
F: Wie viele Arten von Batterien gibt es und was sind sie?
A: Es gibt zwei Haupttypen von Batterien - wiederaufladbare und nicht wiederaufladbare Batterien.
F: Was passiert, wenn eine nicht wiederaufladbare Batterie aufgebraucht ist?
A: Eine nicht wiederaufladbare Batterie liefert so lange Strom, bis die Chemikalien in ihr verbraucht sind. Dann ist sie nicht mehr nützlich und kann weggeworfen werden.
F: Wer hat wiederaufladbare Batterien erfunden und wann?
A: Wiederaufladbare Batterien wurden von Gaston Plante, einem französischen Wissenschaftler, im Jahr 1859 erfunden.
F: Gibt es Batterien in verschiedenen Größen und was ist ein Beispiel für ein Gerät, das eine große Batterie benötigt?
A: Ja, Batterien gibt es in vielen Formen und Größen. Ein Beispiel für ein Gerät, das eine große Batterie benötigt, ist ein U-Boot.
