Inwiefern schließt ein Elektrolyt den geschlossenen Stromkreis?
Es geht um die Batterie auf dem Foto. Im Prinzip verbindet sich der Elektrolyt (Ammoniumchloridlösung) ja so mit dem Produkt am Pluspol (Zn2+), dass ein schwer löslicher Niederschlag ausfällt, der sich dann auf den Elektroden absetzt, sodass der Widerstand immer größer wird und die Leistung sich immer mehr verringert.
Inwiefern schließt hier aber der Elektrolyt den Stromkreis? Oben ist ja der Elektronenfluss, also muss der Elektrolyt für einen Ionenfluss sorgen. Inwiefern macht er das? Kann mir das jemand bitte erklären? Was genau ist überhaupt ein Ionenfluss, außer dass Ionen "wandern"?
Liebe Grüße,
Katharina Hohenfels
4 Antworten
gut das ein geschlossener elektrischer Stromkreis nicht mehr geschlossen werden muss! ;)
Eine Batterie schließt intern zum glück gar nicht den Stromkreis, ansonsten würde das Ding möglicherweise in Flammen aufgehen. Du verstehst hier offenbar etwas völlig falsch.
Zunächst sollte dir folgender Grundgedanke klar sein, all diese Vorgänge funktionieren nur deshalb, weil es die elektromagnetische Wechselwirkung überhaupt gibt. Der elektromagnetischen Wechselwirkung haben wir es zu verdanken, dass ein elektrischer Strom überhaupt zustande kommen kann aber vor allem auch, dass sich Moleküle und Stoffe bilden können und genau hier liegt der Hund begraben.
Lass uns erstmal die Frage klären, warum Elemente überhaupt auf die gloreiche Idee kommen sich zu verbänden zusammen zu schließen, das machen die nicht, weil sie gerade eine so gut Laune haben und nur ungerne alleine sind.
Mache es dir gemütlich, das ganze mache ich für dich relativ ausführlich.
elektrische Ladung und elektrische Felder
Ich setze voraus, dass dir der Aufbau von Atomen bekannt ist. Ein elektrischer Ladungsträger ist z.b. ein elektron mit einer elektrisch negativen Ladung oder ein Proton mit einer elektrisch positiven Ladung. Diese Ladungsträger werden als Punktladung beschrieben und bewirken durch ihre alleinige Anwesenheit ein elektrisches Feld welches sich von ihnen radial in alle Richtungen ausbreitet. Das ist der Grund, warum positive Ladungen negative anziehen und sich gleichnamige Ladungen gegenseitig abstoßen. Immer wenn sich in der Physik etwas bewegt, sollte es bei dir klingeln, denn eine ÄNDERUNG des kinetischen Zustandes also der Bewegung hat zurfolge, das hier Kräfte im Spiel sein müssen. Von alleine wird ein Ladungsträger nicht auf die Idee kommen sich zu bewegen. Warum den auch. Alles Materie im Universum hat sich auf die Karten geschrieben: "Ich möchte so wenig Arbeit wie möglich verrichten".
Wo kommt diese Kraft her? diese Kraft wird als "Lorenzkraft" bezeichnet. Die Lorenzkraft ist die Kraft die eine Ladung in einem elektrischen oder magnetischen Feld erfährt. Diese elektrische Kraft lässt sich mit dem Coulombgesetz beschreiben:
Lasse dich von der Formel nicht beeindrucken falls du sie noch nicht kennst, die ganze Linke Seite mit 1/4*π*ε0 sind erstmal nur Konstanten. Interessant ist, was rechts steht mit Q1*Q2/r^2 denn dieser Teil trägt nämlich maßgeblich zum Verständnis warum sich überhaupt Moleküle bilden können bei.
Warum bilden sich Moleküle und Stoffe?
In der Schule hast du wahrscheinlich erstmal nur das Periodensystem der Elemente kennen gelernt, dort hast du gelernt, dass die Anzahl der Protonen im Kern das Element bestimmen also ob es nun Sauerstoff, Wasserstoff oder Stickstoff ist.
Dann hast du gelernt, dass die Anzahl an Neutronen im Kern ebenfalls eine maßgebliche Rolle spielt, den Neutronen haben wir es überhaupt zu verdanken, dass das Atom zusammen hält. Wir haben 2 gleichnamige Ladungen im Kern, die sollten sich abstoßen. Wie war das noch mit dem Coulomb Gesetz? Im Atomkern wirkt die Starke Kernkraft, die den Atomkern zusammenhält. Es muss eine entsprechend hohe Anzahl an Neutronen vorhanden sein bei einer bestimmten Anzahl an Protonen, damit die starke Kernkraft überhaupt stark genug ist um das Zerreißen der Atomkerne zu verhindern. Außerdem steckt in der Anzahl der Neutronen und Protonen die hauptsächliche Masse des Atoms aber das jetzt nur mal so nebenbei gesagt.
Jetzt ist dir mit Sicherheit klar, dass wenn du die Anzahl der Protonen des Elements kennst auch die Anzahl der Elektronen kennst, denn die Anzahl der Protonen ist = die Anzahl der Elektronen. Jedes Element ist also an sich erstmal elektrisch Neutral, weil die Atome ja genauso viele Elektronen wie Protonen enthält nicht wahr? Tja Pustekuchen! Dem ist eben nicht so, schaue dir nochmal das Coulomb Gesetz an. Da wird durch r^2 dividiert. Heißt mit anderen Worten die Kraft sinkt mit dem Abstand quadratisch ab.
Es reicht nicht nur zu Wissen, dass sie die Elektronen um den Atomkern herumbefinden, wir müssen auch noch entsprechend Verteilen.
Natürlich wollen die Elektronen dem Atomkern so nah wie möglich kommen, denn er ist ja elektrisch positiv geladen. Da ist aber nicht genug Platz für alle. Ein Grund sind die abstoßenden Kräfte die die Elektronen gegenseitig aufeinander ausüben und zum anderen gibt es da das Pauli Prinzip, welcher besagt, das jedes Elektron sich mindestens in einer Quantenzahl von den anderen Elektronen unterscheiden muss also in mindestens eine von 4 Eigenschaften unterscheiden muss, sonst darf es dort nicht sein, das ganze hat etwas mit der Welle/Teilchen Dualität zu tun und deren Wellenfunktion würden eine Wahrscheinlichkeit ergeben, die dazu führt, dass sich die Elektronen auslöschen würden, deshalb kannst du z.b. auch nicht durch Wende laufen obwohl Atome zum größten Teil aus leerem Raum bestehen. Das ist aber wieder ein anderes Feld, dass musst du jetzt nicht zwingend verstehen.
Das heißt also, dass die Elektronen etwas weiter außen Platz nehmen müssen wo die Kräfte die vom positiven Kern auf die Elektronen wirkt entsprechend schwächer ist. Schauen wir uns das ganze mal Anhand eines Beispiels an:
Das Natrium Atom:
wie du sehen kannst besitzt dieses Atom auf der obersten Schalle ein einzelnes Elektron welches auf der mittleren Schale der sogenannten "L Schale" offensichtlich kein Platz mehr hatte. Die Anziehenden Kräfte des Atomkerns auf dieses äußerste Elektron, auch "Valenzelektron" genannt, sind jetzt aufgrund des größeren Abstandes auch entsprechend kleiner als bei den Elektronen die näher am Atomkern dran sind.
Nun könnte ein anderes Atom welches nur nah genug herankommt auf die Idee kommen eine Kraft auf das Elektron auszuüben, die dieses Elektron dazu bewegen würde das Natriumatom zu verlassen. Das könnten wir z.b. mit Chlor machen:
der Abstand zu dessen Atomkern währe zwar der gleiche aber die Kraft ist trotzdem größer weil der Atomkern des Chloratoms mit 17 Protonen eine deutlich stärkere Anziehungskraft auf das Elektron ausübt und auf dieser Schale ist noch ausreichend Platz, da hier theoretisch bis zu 18 Elektronen Platz hätten auf der m Schale. In der Chemie spricht man von der sogenannten Oktettregel.
Moment! Warum Oktettregel? Die besagt doch, dass Elemente die Edelgaskonfiguration anstreben mit 8 Elektronen auf der Außenschale, hier passen aber theoretisch 18 drauf. Was ist hier los? Die Oktettregel ist wie der Name schon sagt eine REGEL und trifft nur auf Elemente zu dessen Ordnungszahl unter 20 liegt. Hier überwiegen die abstoßenden Kräfte der Elektronen die gegenseitig aufeinander wirken im Gegensatz zu den anziehenden Kräften mit den der Atomkern auf die Elektronen einwirkt.
Durch die Abgabe des Valenzelektrons von Natrium wird das Natirum nun aufgrund der ungleichen Anzahl zwischen Protonen und Elektronen zu ein positiv geladenes Ion welcher wiederum eine Kraft auf das Elektron ausübt. Diese Kräfte sorgen regelrecht für eine Verbindung zwischen dem Natrium Atom und dem Chlor Atom. Wir haben Natriumchlorid. Das kennen wir z.b. als Kochsalz.
Funktionsweise einer Batterie am Beispiel einer Alkali-Mangan-Zelle
Die Aufgabe einer Batterie ist es elektrische Energie zu speichern und abzugeben, wenn diese benötigt wird. Alkali-Mangan-Zelle will uns zunächst erstmal nur sagen, dass die Batterie aus einer Lauge und Mangan besteht. Eine treffendere Bezeichnung währe
Zink-Mangan-Zelle. Da wir hier die Information entnehmen können, dass die Zelle neben Mangan auch aus Zink besteht.
Wenn wir uns den Aufbau einer Mangan Zelle anschauen, z.b. anhand einer gewöhnlichen 1,5V AA Batterie, dann sehen wir, dass sich seine Bestandteile im Metallbecher befinden und der gleichzeitig den + Pol darstellt. An seinen Außenwenden befindet sich Mangan um genauer zu sein Mangandioxid in fester Form. Dieser Bereich übernimmt die Funktion der Kathode also der positiven Elektrode.
Nun wird der Bereich von einem Separator abgetrennt. Die Anode folgt als nächstes und besteht aus Zink. Als Elektrolyte wird hier eine Alkalilauge verwendet, welcher die Leitfähigkeit des Systems erhöhen soll.
In dieser Lauge befindet sich zusätzlich ein Nagel, welcher eine Verbindung zum Minuspol herstellt.
Wird nun die Verbindung zwischen dem Pluspol und dem Minuspol über einen Verbraucher geschlossen, findet in dem System ein Oxidations- und ein Reduktionsvorgang statt.
ganz allgemein ist eine Oxidation eine Reaktion bei der Elektronen abgegeben wird. In unserem Beispiel zum Natriumchlorid ist es das Natriumatom welches Elektronen abgibt. Eben aufgrund der wirkenden Kräfte die durch das Coulombgesetz beschrieben wird.
Bei der Reduktion handelt es sich um ein Vorgang bei der Elektronen aufgenommen werden. Hier ist es das Chloratom, welches Elektronen aufnimmt.
In der Natur treten Oxidationen und Reduktionen immer Paarweise auf. Das heißt es gibt nie eine Oxidation ohne einer Reduktion.
Mit der Zelle ist es exakt das selbe nur das hier die Reaktionspartner räumlich voneinander getrennt vorliegen.
Die Zinkmasse reagiert mit 2 Hydrooxid Ionen aus der Lauge. Bei den Hydrooxid Ionen handelt es sich um eine Verbindung aus einem Sauerstoffatom und einem Wasserstoffatom. Das Sauerstoffatom trachtet dabei danach dem Wasserstoffatom das Elektron zu entziehen. Dadurch wird das Sauerstoffatom entsprechend negativ geladen. Es entsteht bei dieser Reaktion Zinkhydroxid mit einem Elektronenüberschuss von 2 Elektronen, das heißt es werden bei dieser Reaktion 2 Elektronen abgegeben. Diese Reaktion geht dann weiter und am Ende bleibt Zinkoxid ZnO und Wasser H2O.
Hier passiert an sich erstmal nichts weiter. Wir haben keinen geschlossenen Stromkreis oder sonst etwas vorliegen. Wir haben nun aufgrund des Elektronen Überschusses am Minuspol ein entsprechendes elektrisches Potential anliegen.
Der Separator verhindert, dass sich dieser Elektronen Überschuss mit dem Pluspol ausgleichen kann.
Wird jetzt der elektrische Stromkreis geschlossen, so wandern diese 2 überschüssige Elektronen zum Pluspol und dem als Kathode fungierenden Manganoxid.
Durch diese 2 Elektronen reagieren nun 2 Mangandioxid und Wasser zu Mn2O3 und 2 Hydroxidionen.
Man spricht bei Oxidations und Reduktionsvorgängen von einer Redoxreaktion.
Die Gesamte Gleichung für diese Redoxreaktion sieht dabei folgendermaßen aus:
Hinweis: Es kann möglich sein, das einiges hier nicht 100% korrekt sein könnte. Ich bin Ursprünglich mehr im Physik Bereich tätig und weniger in der Chemie. Bitte überprüfe also den Text noch einmal auf Korrektheit, falls du vor hast das ganze so zu übernehmen. Selbstverständlich kann man mich entsprechend korrigieren falls etwas nicht korrekt ist.
Nein das Elektrolyte ist hier offenbar mit in der Reaktion beteiligt. Das hätte ich tatsächlich anders schreiben sollen, kann man auch missverstehen.
Auf den elektrischen Stromkreis bin ich nicht näher eingegangen, da ich hier mehr auf den Vorgang in der Zelle selber eingehen wollte. Der elektrische Stromkreis habe ich hier einfach als zu simple empfunden, dass muss aber nicht auf jeden zutreffen.
Ein elektrischer Stromkreis besteht immer mindestens aus einer Spannungsquelle hier die Zink-Mangan-Zelle und einem Verbraucher. In Schulen wird verlangt, das man dann noch den Schalter dazu nennt, doch auch ohne Schalter mit nur einer Spannungsquelle und einem Verbraucher würde es sich um ein Stromkreis handeln. Der Schalter würde nur dazu dienen den Stromfluss zu unterbrechen also den Kreis Wahlweise zu schließen oder zu öffnen.
Der Verbraucher kann hier eine Lampe sein. Hier wird z.b. die elektrische Energie in Licht umgewandelt. Bei Halogenleuchtmitteln eher in Wärme als in Licht (siehe Wirkungsgrad).
Und was wäre, wenn es keinen Elektrolyt gäbe?
Dann geht das nicht :D wie soll den ohne eine Reaktion stattfinden? Der Sauerstoff und der Wasserstoff muss ja irgendwo her kommen und hier kommt es eben aus der Kalilauge. Bin wie gesagt mit der Chemie selber nicht groß geworden aber aus dem nichts kommen die Elemente auch nicht :D
Inwiefern schließt hier aber der Elektrolyt den Stromkreis?
Links am Minuspol entstehen Zn(2+)-Ionen. Rechts, am Pluspol, entstehen OH(-)-Ionen. Wenn die ortsfest an ihrer Elektrode bleiben würden, würdest du einen gewischt bekommen. 😂 Die müssen also zu einander finden, um sich auszugleichen.
Oben ist ja der Elektronenfluss, also muss der Elektrolyt für einen Ionenfluss sorgen. Inwiefern macht er das? Kann mir das jemand bitte erklären? Was genau ist überhaupt ein Ionenfluss, außer dass Ionen "wandern"?
Perfekt beschrieben. Das ist ein Ionenfluss: Wandernde Ionen.
Wasser (blau angemalt) ist letztendlich der Elektrolyt, der dafür sorgt, dass Zn(2+) und OH(-) zueinander finden (könnten).
Der Spezialfall ist hier das Ammoniumchlorid. Hattet ihr schon die Nernst-Gleichung? Falls ja, könntest du anhand dieser Gleichung erkennen/berechnen, dass eine steigende Konzentration an Zn(2+) und OH(-) für einen Spannungsabfall sorgt. Der Trick bei dem LeClanché-Element ist nun, dass diese beiden Ionen durch das Ammoniumchlorid, wie oben beschrieben, aus der wässrigen Lösung (Elektrolyt) "herausgefischt" werden, sodass die Spannung relativ lange konstant bleibt.
der sich dann auf den Elektroden absetzt, sodass der Widerstand immer größer wird und die Leistung sich immer mehr verringert.
Diese Aussage ist etwas zweifelhaft. Das passiert, wenn überhaupt, erst ganz am Ende.
Konnte das deine Frage beantworten?
Emmm fast. Was würde denn passieren, wenn es überhaupt keinen Elektrolyt gäbe?
Nichts. Wenn unten kein Elektrolyt für den Ladungausgleich/Ionenaustausch sorgt, kann oben kein Strom fließen.
Du könntest quasi ein Zinkblech auf deinem Schreibtisch lagern und Braunstein im Nachbardorf. Da passiert einfach mal überhaupt nichts.
Zum Ionenfluß:
Bei einem galvanischen Element (in Betrieb) muß der Stromkreis geschlossen sein. So ist bei dem (einfacheren) Daniell im äußeren Leiter der Elektronenfluß von der Zn-Anode zur Cu-Kathode begleitet vom Fluß der ebenfalls negativen Sulfationen in umgekehrter Richtung (Elektroneutralität der Ionen).
Bei Leclanche
https://de.wikipedia.org/wiki/Leclanch%C3%A9-Element
läuft an der Zn-Anode dasselbe ab wie bei Daniell (Minuspol). Also müssen Gegenanionen in diese "Halbzelle" wandern. Es sind Cl-, die das NH4Cl liefert.
An der Mangankathode aber ein Unterschied: es wird kein gelöstes Kation (wie z.B. Cu++) reduziert (Pluspol), sondern ein im Feststoff fixiertes Mn4+ zu Mn3+. Das braucht aber jetzt nur noch ebenso 3 Gegenladungen statt vorher 4. Also wird ein O mit 2 neg. Ladungen durch ein OH- mit einer neg. Ladung ersetzt. Das geschieht durch H+ (H3O+), welches ebenfalls von NH4Cl geliefert wird.
Während also im Schließdraht neg. Ladung von Zn zu Mn-Zelle wandert, so umgekehrt neg. Ladung zu Zn und pos. zu Mangan. So schließt sich der Stromkreis.
Leistung:
Bei Daniell würden Konzentrationsänderungen (Zn++ Zunahme, Cu++ Abnahme) die Rückreaktion begünstigen, die Leistung also mindern. Das wird hier durch 2 Mechanismen verhindert
- In der Mn-Zelle wird aus Feststoff ein Feststoff; Feststoffe haben keine (besser: konstante Konzentration).
- Das Zn++ wird durch das verbliebene NH3 (Lieferant für beide Gegenionen) zum Komplex und so aus dem Verkehr gezogen.
- Zudem verhindert das schwach saure NH4Cl, daß in einem Kurzschluß ohne Leitungsdraht Zn durch H+ aufgelöst wird.
NB: zum Enzym ein Zitat aus Kiechle-Christen: "Man beobachtet bei nicht-kompetitiver Hemmung eine Aktivitätsminderung. Da diese bei allen Substratkonzentrationen relativ gleich groß ist, wird zwar die Maximalgeschwindigkeit vmax verringert, bleibt aber die M. konstante (Substratkonz. bei vmax/2 gleich".
Oder nach K. Tucholsky: "Jeder hat ja so Recht".
Ich weiß es nicht.
Wenn es kein elektrolyt gibt dann reagieren die Metalle nicht miteinander, da sie ja räumlich getrennt sind. Falls sie an der Luft sind würden sie mit dem Sauerstoff in dieser reagieren aber dann findet nur eine sehr langsame oxidation statt, ohne Spannung abzugeben.
"Als Elektrolyte wird hier eine Alkalilauge verwendet, welcher die Leitfähigkeit des Systems erhöhen soll." Inwiefern soll dieser die Leitfähigkeit erhöhen? Ist das die einzige Funktion des Elektrolyts?
"Wird jetzt der elektrische Stromkreis geschlossen, so wandern diese 2 überschüssige Elektronen zum Pluspol und dem als Kathode fungierenden Manganoxid." Wie wird der Stromkreis dann geschlossen?