3.6 Batterien und Akkumulatoren 59 Batterien Ein Bespiel für eine Batterie ist das Daniell-Element1: Es liefert Strom und kann einen kleinen Elektromotor antreiben. Elektrischer Strom ist das Fließen von Ladungen. Welche Vorgänge laufen in einem solchen Daniell-Element bei Stromfluss auf Teilchenebene ab? Zink Zn(s) ist ein unedles Metall, weshalb Zink-Atome von der Oberfläche des Zinkstabs unter Abgabe von Elektronen in Form von ZinkIonen Zn2+(aq) in die Zinksulfat-Lösung gehen. Elektronen „bleiben am Stab zurück“ und laden ihn somit elektrisch negativ auf (B3). Am Kupferstab nehmen Kupfer-Ionen Cu2+(aq) der Kupfersulfat-Lösung Elektronen des Kupferstabs auf und setzen sich als Kupfer-Atome auf dem Kupferstab ab. Dieser „verarmt“ dadurch an Elektronen und lädt sich elektrisch positiv auf (LV1): Minuspol: Zn(s) Zn2+(aq) + 2e– Oxidation Pluspol: Cu2+(aq) + 2e– Cu(s) Reduktion Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) Redoxreaktion Diese Redoxreaktion läuft nur ab, wenn beide Elektroden durch einen metallischen Leiter verbunden sind und in die Lösung eintauchen. Durch den Leiter fließen die Elektronen vom Minuszum Pluspol. Die Masse des Zinkstabs nimmt dabei mit der Zeit ab, die des Kupferstabs zu. Die positiv geladenen Zink-Ionen und die negativ geladenen Sulfat-Ionen (aus der Lösung) wandern zwischen den beiden Seiten der Batterie, sodass diese insgesamt ungeladen bleibt. Sind die Ausgangsstoffe weitgehend umgesetzt, findet keine Reaktion mehr statt. Die Batterie kann keinen Strom mehr liefern und ist „leer“. Batterien kann man nicht wieder aufladen. Akkumulatoren Anders als Batterien lassen sich Akkumulatoren (umgangssprachlich Akkus) nach dem Gebrauch wieder aufladen. Auch in Akkus laufen Redox reaktionen ab. Diese können aber nach dem Entladen durch die Zufuhr von elektrischer Energie rückgängig gemacht werden. Nach dem Ladevorgang kann der Akku dann wieder Strom liefern. Einer der bekanntesten Akkus im Alltag ist die Autobatterie (B4). Die Reaktion, die beim Aufladen des Akkus abläuft, ist ebenfalls eine Redoxreaktion. Sie läuft aber nicht freiwillig ab, sondern wird durch Stromzufuhr erzwungen. Die zugeführte Energie wird zu großen Teilen als innere Energie in den entstehenden Produkten gespeichert. Diesen Reaktionstyp bezeichnet man als Elektrolyse. Anwendung der Elektrolyse Die Elektrolyse findet in der Technik vielfältige Anwendung. So verläuft z.B. der Schutz von Gegenständen aus Eisen vor der Reaktion mit Sauerstoff, dem „Rosten“, auf elektrolytischem Weg. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist das Verchromen (B5) des unedleren Metalls Eisen. Solange der „Überzug“, also die Chromschicht, geschlossen ist, ist das darunterliegende Metall gegen die Reaktion mit Sauerstoff geschützt. Schlüsselbegriffe Daniell-Element, Batterie, Redox reaktion, Akkumulator, Elektro lyse, Verchromen1 John Frederic Daniell (1790–1845), englischer Chemiker B3 Schematische Darstellung der Vorgänge im Daniell-Element B4 Autobatterie (Bleiakkumulator) B5 Verchromtes Motorrad Zn (s) e– e– Zn2+ (aq) Zn2+ (aq) SO2 – (aq) Cu2+ (aq) e – e– Cu(s) 4 Zn (s) e– e– Zn2+ (aq) Zn2+ (aq) SO2 – (aq) Cu2+ (aq) e – e– Cu(s) 4 e– e– e– e– N u r z P rü fz w e c k e n E ig e n tu m d e s C .C . B u c h n e r V e rl a g s