| Lösungen:
Das Prinzip des
Leclanche´-Elements ist eigentlich ganz einfach: Man braucht einen
Elektronen-Donator, also einen Minus-Pol, einen Stromkreis mit einem
Verbraucher und einen Plus-Pol, den Elektronen-Akzeptor. Nun weiß
jeder, dass Elektronen keine Mühe haben, in metallischen Leitern zu fließen
(Theorie vom Elektronengas). Aber wie steht es mit dem Elektronenfluss in
Ionenverbindungen? Diese leiten den Strom ja nur in Form der Schmelze
(erfordert hohe Temperaturen, entfällt also hier!) oder in wässrigen Lösungen.
Nun möchte keiner eine Batterie, die ständig auslaufen könnte. Ohne Wasser
funktioniert aber kein Transport von Ladungsträgern. Die Lösung ist also:
man braucht eine chemische Reaktion, bei der soviel Wasser frei wird, wie
für den Ladungstransport nötig, aber nicht zu viel und das Wasser muss hinterher
chemisch gebunden werden, also aus dem Prozess verschwinden und das alles im
Kreislauf!
Im
Einzelnen:
Zinkbecher: ist
Minus-Pol, also Elektronendonator;
Braunstein, also MnO2 oder Mangandioxid, ist
Elektronenakzeptor, leider etwas pulvrig im Normalzustand, wird deswegen mit Ruß
(= Kohlenstoff, erhöht die elektrische Leitfähigkeit), Ammoniumchlorid
(Elektrolyt, erhöht ebenfalls die elektrische Leitfähigkeit, hat aber auch was
anderes zu tun) und Stärke (als Dickungsmittel) mit wenig
Wasser
zu einem Brei/Paste zusammengerührt, die den Kohlestab als Plus-Pol
und damit letzten Endes Elektronenakzeptor umgibt. Der Kohlestab ist aber
eigentlich nur der Elektronenvermittler nach außen.
Chemische Reaktionen an den Polen (nach Tausch, v. Wachtendonk,
Chemie SII, Kap. 8.1.; S. 192-193
Minus-Pol: Oxidation von Zink: Zn ---> Zn2+(aq)
+ 2e¯
Plus-Pol: Reduktion von MnO2:
2 MnO2(s) + 2 H2O(l)
+ 2e-
---> 2 MnO(OH)(s) + 2 OH ¯(aq); Braunstein reagiert also mit dem
Wasser!
2 OH ¯(aq) + 2 NH4+(aq) ---> 2 NH3(g) +
2 H2O(l) ; das 2 NH4+(aq) kommt aus der
angerührten Paste mit Ammoniumchlorid;
Zellspannung im unbelasteten Zustand: 1,5 V
Die Zellspannung sinkt im
Betrieb, weil durch die Bildung der Hydroxid-Ionen am Plus-Pol der pH-Wert
steigt. Dadurch sinkt das Potenzial (Redoxpotenzial) des Redoxpaares MnO(OH)/MnO2.
Das sich am Plus-Pol bildende gasförmige Ammoniak isoliert die Kohleelektrode
von der Umgebung, wodurch der Widerstand der Zelle ansteigt: deshalb sinkt auch
bei längerem Betrieb die Stromstärke. In Betriebspausen diffundiert das
gebildete Ammoniakgas in die Zelle und bildet mit Zink- und Chlorid-Ionen ein
schwerlösliches Salz.
Sekundärreaktionen:
ohne die würde das Element nicht funktionieren!
1. Reaktion der Zn-Ionen mit Ammoniak und Chlorid-Ionen
zu:
Zn2+(aq) + 2 NH3(g) --->[Zn(NH3)2]2+(aq):
Zink-Di-amin-Komplex-Verbindung
[Zn(NH3)2]2+(aq) + 2 Cl¯(aq) ---> [Zn(NH3)2]Cl2;
Zink-Di-amin-chlorid;
2. Reaktion der Zn-Ionen mit Hydroxid-Ionen zu Zn-hydroxid und danach zu
Zn-oxid:
Zn2+(aq) + 2 OH ¯(aq) ---> Zn(OH)2 (s)
Zn(OH)2 (s) ---> ZnO + H2O(l);
Dieses hier frei werdende Wasser
kann dann wieder mit Braunstein reagieren, die dabei gebildeten Hydroxid-Ionen
reagieren mit den Ammonium-Ionen aus dem Ammoniumchlorid ebenfalls zu Wasser. Im
Gesamtprozess (siehe vor allem am Plus-Pol) wird also Wasser verbraucht
und chemisch neu gebildet, d.h. die zugesetzte Wasser-Menge ändert sich nicht.
Wenn allerdings alles Zink aus dem Zink-Becher verbraucht ist, tritt die
wässrige Paste aus und kann das elektrische Gerät beschädigen, deswegen sollte
man Batterien nie zu stark und zu lange belasten und sie nicht
über lange Zeit in einem Gerät belassen.
Es gibt auch andere
Darstellungen der Funktionsweise des Leclanche´- Elements, die v.a. die
Reaktionen am Plus-Pol anders erklären:
2 H3O+ + 2e¯ ---> 2 H2O + H2;
Der Stromfluss kommt zum Stillstand, weil sich die Graphit-Elektrode
(Kathode) mit einer Wasserstoffhaut bedeckt. Braunstein wirkt hier nun als
Depolarisator, er reagiert nach 2 MnO2 + 2 H3O+
+ 2e¯ --> 2 MnO(OH) + 2 H2O bzw. in wässriger Lösung zu 2
MnO(OH) + 2 OH ¯(aq);
Beantwortung der Fragen:
1. Warum erholt sich ein Leclanché-Element
schneller, wenn man es auf die Heizung legt?
Je nachdem, welche Version man mehr
favorisiert: a) das am Plus-Pol gebildete Ammoniak isoliert die Kohleelektrode
von der Umgebung, wodurch der Zellenwiderstand ansteigt und die Stromstärke
sinkt, oder b) die Graphit-Elektrode (Kathode) überzieht sich mit einer
Wasserstoffhaut: in beiden Fällen entstehen Gase, die die Elektrode von ihrer
Umgebung isolieren, also den Stromfluss unterbrechen. Die von der Heizung
zugeführte Wärme sorgt lediglich dafür, dass die Diffusion dieser Gase in die
Umgebung (Konzentrationsgefälle!) beschleunigt wird, also die Batterien
schneller wieder einsatzbereit sind.
2.
Warum neigen ältere, verbrauchte Batterien eher zum Auslaufen als frische
Batterien?
Weil der Zink-Mantel als
Elektronendonator dient und damit stofflich verbraucht wird, aus dem Zink wird
(siehe Sekundärreaktion) poröses Zinkhydroxid, aus dem schließlich Zinkoxid und
das ist eben mechanisch nicht stabil. Zusätzlich wird das in der Reaktion
gebildete Wasser immer weniger verbraucht, es entsteht also mehr Wasser als
Lösungsmittel und das begünstigt das Auslaufen.
3.
Erkläre, weshalb ein Leclanché-Element durch Aufladen nicht regenerierbar ist.
Welche Reaktionen würden an den Elektroden ablaufen? Warum wäre das Aufladen
sehr gefährlich?
Die Produkte, die durch die Sekundärreaktion
gebildet werden, sind nicht rückführbar. D.h. diese Reaktionen verlaufen nicht
als Gleichgewichtsreaktionen, sondern einseitig irreversibel in einer Richtung
von links nach rechts. Würde man ein Leclanche´-Element aufladen wollen,
entstände durch die Elektrolyse von Wasser Wasserstoffgas am Minus-Pol und
Sauerstoffgas am Plus-Pol, also Knallgas, was zu Explosion führen würde.
Deswegen wird auf den Batterien ja davor gewarnt, sie aufzuladen bzw. in ein
Ladegerät zu stecken.
update:
02.02.21
zurück zur
Hauptseite
|
