Prof. Blumes Medienangebot: Technische Chemie im und ums Auto
Experimente:
Versuch: Modellversuch zum Bleiakkumulator
Versuch: Das Silber/Zink-Element
Akkumulatoren sind galvanische Elemente, die sich durch Elektrolyse
wieder aufladen lassen.
Bleiakkumulatoren sind auch heute noch die Ladungsspeicher, die bei hoher Leistungsf�higkeit am wirtschaftlichsten herzustellen sind. Da fast in jedem Kraftfahrzeug ein solcher Akkumulator eingebaut ist und dieser meist nach 3 - 5 Jahren erneuert werden muss, ist der Bedarf an Blei f�r diesen Verwendungszweck sehr hoch. Derzeit werden 40 - 50 % dieses Metalls f�r den Akkumulatorenbau verwendet.
Bei der Formulierung der Redoxgleichungen sollte man zur Vereinfachung statt der Hydronium-Ionen nur die Protonen ber�cksichtigen:
Laden:
Minuspol des Ladeger�ts: PbSO4 + 2 H+ + 2 e- ———> Pb + H2SO4
Pluspol des Ladeger�ts: PbSO4 + 2 H2O ———> PbO2 + H2SO4 + 2 H+ + 2 e-
Gesamtreaktion: 2 PbSO4 + 2 H2O ———> Pb + PbO2 + 2 H2SO4
Entladen:
Minuspol des Akkus: Pb + H2SO4 ———> PbSO4 + 2 H+ + 2 e-
Pluspol des Akkus: PbO2 + H2SO4 + 2 H+ + 2 e- ———> PbSO4 + 2 H2O
Gesamtreaktion: Pb + PbO2 + 2 H2SO4 ———> 2 PbSO4 + 2 H2O
Bemerkenswert ist, dass sich die Polvorzeichen beim Laden bzw. Entladen nicht umkehren, wohl aber die Richtung der Redoxvorg�nge. Damit wechseln nur die Bezeichnungen Anode und Kathode:
Anode ist eine Elektrode mit oxidierenden Vorg�ngen, Kathode eine Elektrode mit reduzierenden Vorg�ngen.
Man kann beide Gesamtreaktionen zu einer reversiblen Reaktion zusammenfassen:
In Kurzschreibweise k�nnen die Vorg�nge unter Verwendung der Oxidationszahlen von Blei wie folgt dargestellt werden:
Im entladenen Zustand ist das System spannungsfrei, da beide Elektroden die gleiche Oxidationszahl aufweisen. Im geladenen Zustand sind die Oxidationszahlen der Elektroden verschieden. Da die Elektronen einen Ausgleich anstreben, resultiert daraus eine elektrische Spannung. Das kann man auch graphisch in einem Potentialdiagramm gut darstellen:
Hierdurch wird deutlich, dass beim Ladevorgang das System aus zwei Halbzellen mit mittleren, arbeitsunf�higem Potential je eine Halbzelle mit hohem und eine mit tiefem Potential aufgeteilt wird. Dadurch bildet sich eine hohe Potentialdifferenz aus, aus der heraus elektrische Arbeit gewonnen werden kann.
Im Versuch zum Modell des Bleiakkus (-> Versuch) geht man von zwei identischen Bleiplatten aus. Diese �berziehen sich beim Einbringen in Schwefels�ure spontan mit Bleisulfat. Damit starten wir den Versuch im entladenen Zustand.
Mit diesem Modell lassen sich die Bildung bzw. R�ckbildung der Elektroden�berz�ge nicht zeigen. Das gelingt aber sehr gut mit dem Silber/Zink-Element (-> Versuch).
Beim Studium der Gleichungen wird deutlich, dass wir den Ladevorgang auch mit einer Dichtemessung verfolgen k�nnen: Beim Entladen entsteht Wasser und die Schwefels�ure wird verd�nnt, somit nimmt ihre Dichte ab. Beim Laden nimmt die Konzentration der Schwefels�ure und damit ihre Dichte wieder zu.
Ein Bleiakku kann nur funktionieren, weil Wasserstoff gegen�ber dem Metall Blei eine hohe
�berspannung hat. Das bedeutet, dass beim Laden der Vorgang der Reduktion von
Wasserstoff-Ionen an der Elektrodenoberfl�che stark gehemmt ist, so dass stattdessen die
Blei-Ionen zu Blei reduziert werden.
Die �berspannung kann man durch Bildung von Lokalelementen herabsetzen. Um diese
herzustellen, gibt man zum Akku Edelmetallsalze zu. Gegen�ber Edelmetallen wie z. B. Platin
oder Silber hat Wasserstoff nur eine sehr geringe �berspannung. Deshalb entwickelt der Akku
beim Laden nur noch Wasserstoff (er "gast") und bildet keine Blei�berz�ge mehr. Solche Akkus
lassen sich nicht wieder aufladen.
Wegen der Giftigkeit des Bleis hat man gerade f�r Altakkus ein ausgefeiltes Recyclingverfahren entwickelt.