Bleiakkumulator

in Chemie, geschrieben von Pia O.

Allgemeiner Teil:
Elektrische Zelle, auch als galvanische Zelle bzw. galvanisches Element bezeichnete Vorrichtung zur Umwandlung von chemischer Energie in Elektrizität. Elektrische Zellen bestehen meist aus flüssigem, pastenartigem oder festem Elektrolyt sowie einer positiven und negativen Elektrode. Der Elektrolyt ist ein Ionenleiter. Mit einfachen Worten ausgedrückt, zersetzt sich eine der beiden Elektroden unter Elektronenabgabe (Oxidation), während die andere Elektronen aufnimmt (Reduktion). Werden beide Elektroden durch einen elektrischen Leiter verbunden, so fließt ein elektrischer Strom. Die Kombination von zwei oder mehreren elektrischen Zellen bezeichnet man als Batterie.
Das Funktionsprinzip von Sekundärelementen erfand 1859 der französische Physiker Gaston Planté. Diese auch als Akkumulatoren bezeichneten Vorrichtungen lassen sich durch den umgekehrten Ablauf der chemischen Reaktion wieder aufladen. Bei der Zelle von Planté handelte es sich um einen Bleiakkumulator, wie er auch heute noch verwendet wird. Das System enthielt drei oder sechs elektrische Zellen, die in Reihe geschaltet waren.

Der Akkumulator:
Heutzutage findet man Akkumulatoren in Personen- und Lastautos, in Flugzeugen und anderen Fahrzeugen. Akkumulatoren können so starken elektrischen Strom liefern, wie er beispielsweise zum Starten eines Motors benötigt wird. Als Elektrolyt dient verdünnte Schwefelsäure. Die negative Elektrode besteht aus Blei, die positive aus Bleidioxid. Mit einfachen Worten erklärt, dissoziiert beim Betrieb die negative Bleielektrode in freie Elektronen und zweifach positive Bleiionen. Die Elektronen fließen durch den äußeren elektrischen Stromkreis zur Bleidioxidanode. Die positiven Bleiionen verbinden sich mit Sulfationen im Elektrolyten zu Bleisulfat. An der Bleidioxidanode kommt es zu einer weiteren chemischen Reaktion. Aus Bleidioxid, positiven Wasserstoffionen im Elektrolyten und Elektronen bilden sich Wasser und positive Bleiionen. Letztere verbinden sich mit Sulfationen zu Bleisulfat.

Der negative Pol des Bleiakkumulators besteht aus einer Bleiplatte (Pb) und der positive Pol aus einer Blei(IV)oxidplatte (Pb02). Als Elektrolytlösung wird Schwefelsäure (H2SO4) benutzt. Eine chemische Reaktion findet aber erst dann statt, wenn man den Stromkreis schließt: dann können Elektronen vom Minus- zum Plus-Pol fließen.
Elektronen werden bei der folgenden spontan chemischen Reaktion freigesetzt:

Pb + 2 H2SO4 + PbO2 —> 2 PbSO4 + 2 H2O (globale chemische Reaktion)

Beim Entladen eines Bleiakkumulators bleibt das Volumen der Elektrolytlösung konstant, die Stoffmenge an Schwefelsäure und somit die Masse an Schwefelsäure nimmt jedoch ab. Folglich wird die Dichte rho der Schwefelsäurelösung geringer!
Um den Akkumulator aufzuladen, muss man Energie liefern (eine Spannung anlegen). Folgende globale chemische Reaktion wird dann erzwungen:

2 PbSO4 + 2 H2O —> Pb + H2SO4 +PbO2

Aufbau eines Bleiakkumulators, wie er auch als wieder aufladbare Autobatterie verwendet wird.

Ein Bleiakkumulator ist nach einiger Zeit erschöpft, da die Schwefelsäure allmählich in Wasser und die Elektroden in Bleisulfat umgewandelt werden. Beim Aufladen der Batterie verlaufen die oben angegebenen Reaktionen in umgekehrter Richtung. Die Lebensdauer eines Bleiakkumulators liegt bei ungefähr fünf Jahren. Er liefert circa zwei Volt pro Zelle.
Ein weiteres Sekundärelement ist der Nickel-Eisen-Akkumulator. Er gehört zu den alkalischen Akkumulatoren und wurde um 1900 von dem amerikanischen Erfinder Thomas Edison entwickelt. In seiner Funktionsweise entspricht er dem Bleiakkumulator.

Primärelemente:
Trockenelement (Taschenbatterie)
Blick in das Innenleben einer herkömmlichen Taschenbatterie. Die Grundform der heute üblichen Trockenelemente geht auf das Leclanché-Element zurück, das 1866 erstmals von dem französischen Erfinder Georges Leclanché konstruiert wurde. Bei dem hier gezeigten Beispiel handelt es sich um das System Zink-Braunstein, das eine Nennspannung von 1,5 Volt liefert.

Der gebräuchlichste Typ ist das Leclanché- oder Trockenelement, das um 1860 der französische Chemiker Georges Leclanché erfunden und entwickelt hat. Die heutzutage verwendete Form ist der ursprünglichen Ausführung immer noch sehr ähnlich. Der Elektrolyt eines Primärelements besteht dabei aus einer Mischung Ammoniumchlorid und Zinkchlorid. Beide liegen in Pastenform vor. Die äußere Zinkhülle der Batterie ist der Minuspol. Die positive Elektrode (Pluspol) besteht aus einem Kohlenstoffstab, der von einer Mischung aus Kohlenstoff und Mangandioxid umgeben ist. Ein Leclanchéelement erzeugt eine Spannung von circa 1,5 Volt.

Interaktives Historama:
Leclanché entwickelt erstes Trockenelement

Ein anderes, noch weit verbreitetes Primärelement ist das Zink-Quecksilberoxid-Element, kurz Quecksilberbatterie genannt. Es kann in Form einer kleinen Platte hergestellt und damit bei Hörgeräten, Photozellen und elektrischen Armbanduhren eingesetzt werden. Die negative Elektrode besteht aus Zink, die positive aus Quecksilberoxid. Der Elektrolyt ist eine Kaliumhydroxidlösung. Die Quecksilberbatterie erzeugt circa 1,34 Volt Spannung. Auf Grund der Umweltproblematik von Quecksilber und seinen Verbindungen werden Batterien mit diesem Element zunehmend aus dem Handel verbannt.
Weitere heutzutage übliche Systeme sind beispielsweise Zink-Zinkchlorid-Mangandioxid, Zink-Natriumhydroxid-Mangandioxid sowie Lithium-Mangandioxid.

Sekundärelemente:
Bleiakku von Gaston Planté (19. Jahrhundert)

Die erste, wieder aufladbare Batterie erfand 1859 der französische Physiker Gaston Planté (1834-1889) in Form des Bleiakkumulators, der mit Schwefelsäure als Elektrolyt gefüllt ist.
Das Funktionsprinzip von Sekundärelementen erfand 1859 der französische Physiker Gaston Planté. Diese auch als Akkumulatoren bezeichneten Vorrichtungen lassen sich durch den umgekehrten Ablauf der chemischen Reaktion wieder aufladen. Bei der Zelle von Planté handelte es sich um einen Bleiakkumulator, wie er auch heute noch verwendet wird. Das System enthielt drei oder sechs elektrische Zellen, die in Reihe geschaltet waren.

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