Elektrizitätslehre

Elektrische Grundgrößen

Galvanische Zellen und Batterien

  • Was bedeuten eigentlich Volt …
  • … und Ampère?
  • … und was hat es mit dem OHMschen Gesetz auf sich?
  • Wie funktionieren elektrische Messgeräte?

Galvanische Zellen und Batterien

Hinweis: Zum Verständnis der Batterien sollte man schon etwas Elektro-Chemie beherrschen. Aber auch ohne "chemische Voraussetzungen" bekommst du von dieser Seite einen Eindrück über die Funktionsweise der Batterien.

Heutzutage dienen Batterien in zahlreichen Geräten (z.B. Belichtungsmesser, Uhr, Taschenlampe, usw.) als Spannungsquelle. Es gibt verschiedenste Batterietypen, von denen hier nur die weit verbreitete Zink-Kohle-Batterie näher besprochen werden soll. Ihr Aufbau geht auf den französischen Chemiker Georges Leclanché (1839 - 1882) zurück. Man bezeichnet eine Zn-C-Batterie auch als eine Primärbatterie, sie kann nur einmal entladen werden und ist dann unbrauchbar.

Batterieabfälle sind unter Umweltgesichtspunkten problematisch. Überlege also stets, ob der Einsatz von Batterien in einem Gerät unumgänglich ist.

von Jerry Crimson Mann, Übersetzung von Andel Früh. [CC-BY-SA-2.5)], via Wikimedia Commons

Die übliche Zink-Kohle-Batterie besteht im wesentlichen aus einem Zinkbecher, in den eine eingedickte Salmiaklösung (NH4Cl) und Braunstein (MnO2) gefüllt sind. In diesem eingedickten Brei - man nennt diesen Batterietyp daher auch Trockenbatterie - steckt ein Kohlestift. Die Spannung einer frischen Zn-C-Zelle beträgt 1,5 V.

Schneidet man eine stark gebrauchte Zn-C-Batterie (z.B. Monozelle) auf, so sieht man, dass der Zinkbecher stark zerfressen ist. Offensichtlich findet bei Stromentnahme eine Zersetzung des Zinks statt. Im Folgenden wird eine möglichst einfache Erklärung für die Wirkungsweise der Batterie gegeben. Dabei soll zunächst auf die Verwendung chemischer Formeln verzichtet werden.

1 Aufbau und Funktionsweise einer Zink-Kohle-Batterie

Die vorgänge in der Zink-Kohle Batterie sind wie folgt:

Das unedle Metall Zink löst sich im Elektrolyten (Salmiak) selbst auf, d.h. die Zinkelektrode gibt Zn++-Ionen ab und lädt sich dadurch negativ auf.

Solange die Zinkelektrode nicht durch einen äußeren Stromkreis leitend mit dem Kohlestift verbunden ist, können die "überschüssigen" Elektronen der Zn-Elektrode nicht abfließen. Die negative Überschussladung der Elektrode verhindert den Austritt weiterer Zn++-Ionen, es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.

Die positiven, im Elektrolyten gelösten, Zinkionen laden diesen und den damit leitend verbundenen Kohlestab positiv auf. Es bildet sich eine Spannung von 1,5V zwischen den Elektroden aus.

Wird nun der äußere Stromkreis geschlossen, fließen die Elektronen der Zinkelektrode über den "Verbraucher" zur Kohleelektrode und ziehen dadurch die positiven Ionen zur Kohleelektrode.

Aufgrund der nun abgeflossenen Elektronen ist das Gleichgewicht an der Zinkelektrode gestört, es gehen weiter Zn++-Ionen in Lösung. Dieser Vorgang dauert solange, bis entweder der äußere Stromkreis wieder unterbrochen wird oder der Elektrolyt keine Zn-Ionen mehr aufnehmen kann.

Im folgenden stellen wir dir auch noch eine genauere Beschreibung der chemischen Reaktionen vor. Diese Informationen ist jedoch nur für "Daniel-Düstriebs" geeignet, die sich schon selbständig mit chemischen Formeln vertraut gemacht haben.

Am negativen Pol (Zinkelektrode) kommt es zu folgenden Reaktionen:

Zinkionen lösen sich, die Elektrode wird negativ: \({\rm{Zn}} \to {\rm{Z}}{{\rm{n}}^{ + + }}{\rm{ + 2}} \cdot {{\rm{e}}^ - }\)

Zinkionen reagieren mit dem Salmiak: Zn++ + 2NH4Cl → ZnCl2 + 2NH3 + 2H+

Am positiven Pol kommt es zu folgenden Reaktionen:

Reaktion der Wasserstoffionen und Elektronen, die über den äußeren Kreis zum positiven Pol gelangen, mit Braunstein: 2H+ + 2e- + 2MnO2 → Mn2O3 + H2O

Somit ergibt sich als Gesamtreaktion:

2NH4Cl + Zn + 2MnO2 → ZnCl2 + Mn2O3 + 2NH3 + H2O

Der maßgebliche Vorgang in der Batterie ist die Elektronenabgabe des Zinks und die Elektronenaufnahme durch das Mangan des Braunsteins. Der Kohlestab hat nur die Funktion, den elektrischen Kontakt zwischen dem äußeren Kreis und dem Braunstein herzustellen.

Im äußeren Stromkreis geschieht der Ladungstransport durch die negativen Elektronen von der Zn- zur C-Elektrode. In der Zelle geschieht der Ladungstransport durch das Wandern der positiven Ionen von der Zn- zur C-Elektrode.

Hinweise

Mit zunehmender Stromentnahme sinkt die Konzentration des Elektrolyten (Salmiak), was ein Absinken der Zellenspannung zur Folge hat. Man benutzt daher zunehmend die Alkaline-Mangan-Zink-Zellen, die im Wesentlichen auf der gleichen Redox-Reaktion basieren, jedoch als Elektrolyten Kalilauge verwenden. Bei diesen Zellen lautet die Gesamtreaktion Zn + 2MnO2 + H2O→ Zn(OH)2 + Mn2O3

Der entscheidende Unterschied zur oben beschriebenen Zink-Kohle-Batterie besteht darin, dass bei den Alkaline-Mangan-Zink-Zellen der Elektrolyt nicht verbraucht wird und somit die Spannung der Zelle fast bis zum Betriebsende \(1,5\rm{V}\) beträgt.

Taucht man eine Zink- und eine Kupferelektrode in verdünnte Schwefelsäure, so hat man das sogenannte Voltaelement, das ziemlich genau die Spannung \(1\rm{V}\) besitzt.

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