99Redoxreaktionen – ElektrochemieDer Bleiakkumulator B4 Im Jahr 1859 entwickelte Gaston Planté (1834 bis 1889) den ersten Bleiakkumulator und damit die älteste Form einer wiederaufladbaren elektrischen Zelle. Damit war die Grundlage für die industrielle Herstellung von Akkumulatoren geschaffen. B5 Im Bleiakku von Autos sind sechs Zellen zusammengefasst, die eine Spannung von 12 V ergeben. A: Vergleichen Sie den Bleiakku mit anderen Akkumulatoren (vgl. S. 100 bis 103) und nennen Sie jeweils die Vorund Nachteile. Ein entscheidender Nachteil der Leclanché-Zelle und ähnlicher Batterien (vgl. S. 95) ist, dass sie nicht wieder aufgeladen und daher nicht mehrfach genutzt werden können. Dagegen sind Akkumulatoren1 wiederaufladbar. Bleiakkumulatoren sind schon seit über 150 Jahren bekannt (B4) und haben sich als Starterbatterien in Kraftfahrzeugen bewährt (B3, B5). Bei der Elektrolyse, also der erzwungenen Redoxreaktion der Schwefelsäure im Blei akku (vgl. S. 79), bildet sich an der Anode eine braune Schicht von Blei(IV)oxid PbO2 (LV1). An der Kathode aus Blei sind keine Veränderungen erkennbar. Nach Abschalten der Spannungsquelle bei LV1 kann man zwischen den Elektroden eine Spannung von ca. 2 V messen. Durch Elektrolyse ist eine galvanische Zelle, ein Modell-Bleiakku aus einer Bleiund einer Bleidioxid-Elektrode, entstanden (B1). Beim Entladen laufen die in Auswertung b) formulierten Reaktionen ab. Die in der Schwefelsäure vorliegenden Sulfat-Ionen bilden mit Blei(II)-Ionen schwerlösliches Blei(II)-sulfat PbSO4, das sich als weiße Schicht auf den Elektroden abscheidet. Beim Aufladen des Bleiakkus werden die Vorgänge des Entladens wieder umgekehrt. Der Gesamtstoffumsatz beim Entladen und Laden kann wie folgt zusammengefasst werden: Pb(s) + PbO2(s) + 4 H3O+(aq) + 2 SO42–(aq) 2 PbSO4(s) + 6 H2O(l) Beim Bleiakkumulator bleibt das als Reaktionsprodukt gebildete Bleisulfat größtenteils an den Elektroden haften. Dies ist die Voraussetzung für das Wiederaufladen: Die Blei(II)-Ionen im Bleisulfat werden durch Anlegen einer Spannung am Minuspol wieder zu Blei-Atomen reduziert bzw. am Pluspol zu Blei(IV)-Ionen (Blei(IV)-oxid) oxidiert. Eigentlich sollte man vermuten, dass beim Anlegen einer Gleichspannung zum Aufladen des Akkus eine Elektrolyse der wässrigen Schwefelsäure-Lösung unter Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff ablaufen würde (vgl. V1, S. 106). Die Abscheidung von Wasserstoff und Sauerstoff ist jedoch an Bleiplatten im Vergleich zu der an Platin-Elektroden stark gehemmt, sodass vorwiegend die Reduktion bzw. Oxidation der Blei(II)-Ionen erfolgt. Wenn alle Blei(II)-Ionen beim Ladevorgang in Blei-Atome bzw. Blei(IV)-Ionen im Blei(IV)-oxid überführt sind, werden beim weiteren Aufladen als Folge einer Überladereaktion Wasserstoff und Sauerstoff als Knallgas aus dem Akku freigesetzt. Aufgaben A1 Begründen Sie, warum die Konzentration der im Akku enthaltenen Schwefelsäure beim Entladen abnimmt. A2 Erklären Sie, warum sich die Elektrodenpotenziale E(Pb/Pb2+) = –0,36 V und E(Pb2+/PbO2) = + 1,69 V des Bleiakkus von den in Auswertung b) angegebenen Standard-Elektrodenpotenzialen Eo unterscheiden. (Hinweis: Verwenden Sie zur Argumentation auch die Überlegungen zur Konzentra tion, vgl. S. 84f.) Fachbegriffe Bleiakkumulator Aufladen Entladen 1 von accumulare (lat.) = anhäufen 3377_01_01_2012_Kap2_058_123 23.09.14 06:27 Seite 99 Nu r z u Pr üf zw ec ke n Ei ge nt um d es C. C. uc hn er V er la gs