Reaktion eines Bleiakkumulators?
Hallo,
ich muss demnächst eine Präsentation in Chemie zum Thema Bleiakkumulators halten. Dazu gehören natürlich auch die Reaktionen beim Ent- und Aufladen. Beim Entladen haben sich einige Fragen angestaut, bei denen ich mit nicht zu helfen weiß.
ich erkläre euch einfach wie ich das verstanden habe und wo sich Fragen gebildet haben.
- das Blei von der Elektrode gibt zwei Elektronen hab. Die Elektronen bleiben in der Elektrode und die neu gebildeten Blei-Ionen gehen in die Lösung.
- Als elektrolyt dient hier ja Schwefelsäure (H2SO4^2-) in wässriger Lösung. Nach meinem Verständniss ist die Schwefelsäure im dissoziierten Zustand. Das Sulfat reagiert mit den Blei-Ionen zu Bleisulfat und geht an die bleielektrode, weshalb diese dicker wird. Das Wasserstoff Molekül reagiert ja nicht mit und deshalb müsste das doch alleine in der Lösung bleiben, richtig?
- Wegen dem elektronendruck gehen die Elektronen über den Stromleiter durch den Verbraucher zur Bleioxidelektrode. Diese Elektronen werden von dem Bleioxid bzw. von dem Blei aufgenommen. Hier bin ich mir besonders unsicher: es bildet sich erneut bleisulfat aber es handelt sich ja nicht um normales Blei, sondern Bleioxid. Was aussieht mit dem O2. Geht das in die Lösung oder reagiert das mit zu Bleisulfat.
- Wie dem auch sei, es bildet sich definitiv Bleisulfat, welches wie bei der anderen Elektrode an die Bleioxid Elektrode geht, wodurch diese dicker wird.
- Nächste Frage: bei der Reduktion bildet sich neben dem Bleisulfat auch H2O. Und ich verstehe nicht wie das gebildet wird. In zahlreichen Reaktionen aus dem Internet steht, dass aus 4 H+ - Ionen irgendwie Wasser gebildet wird. Aber woher kommen die und von wo kommt das Sauerstoff, dass zur Bildung von Wasser ebenfalls benötigt wird?
Danke an alle Fragen im Voraus!
2 Antworten
Moin,
also: Im Blei-Akkumulator hast du als Elektrolyten Schwefelsäure. Die ist eine sehr starke zweiprotonige Säure und gibt in wässrigen Lösungen beide Protonen ab:
H2SO4 + 2 H2O → 2 H3O+ (bzw. 2 H+) + SO42–
Das heißt, dass die Schwefelsäuremoleküle (H2SO4) vollständig dissoziieren, so dass einerseits Sulfat-Anionen entstehen (SO42–), andererseits Protonen (H+), die aber im Wasser auf Wassermoleküle (H2O) übertragen werden, so dass Oxonium-Ionen gebildet werden (H3O+).
Somit hast du schon einmal eine Protonenquelle, was deine Frage, woher die Wasserstoffatome für die Wasserentstehung kommen, beantwortet. Sie kommen von den Oxonium-Ionen, wo sie allerdings in Form von Protonen „zwischengelagert” sind.
Beim Entladungsvorgang werden nun an der porösen Blei-Elektrode („Bleischwamm”) ungeladene Bleiatome (Pb) aus der Elektrode in Blei-Kationen (Pb2+) umgewandelt.
Die dabei abgegebenen Elektronen verbleiben in der Elektrode (wodurch sie sich negativ auflädt - Kathode, Minuspol).
Die Blei-Kationen gehen in Lösung. Das bedeutet, dass die Elektrode zunächst dünner wird. Aber die Blei-Kationen bilden mit den Sulfat-Anionen das fast wasserunlösliche Salz Blei(II)-sulfat (PbSO4↓), dass sich an der Kathode ansetzt. Dadurch erst wird die Kathode dicker.
Vorgänge an der Kathode (Oxidation)
Oxidationsteilgleichung: Pb → Pb2+ + 2 e–
und
Pb2+ + SO42– → PbSO4↓
zusammen
Pb + SO42– → PbSO4↓ + 2 e–
An der anderen Blei-Elektrode gibt es eine Schicht Blei(IV)-oxid (PbO2). Diese Schicht ist dann die Sauerstoffquelle für die Wassermolekülentstehung, wobei die vierfach positiv geladenen Blei-Kationen (Pb4+) durch die Aufnahme von zwei Elektronen zu zweifach positiv geladenen Blei-Kationen (Pb2+) reduziert werden.
Da natürlich auch hier Sulfat-Anionen in der schwefelsauren Lösung vorhanden sind, entsteht erneut das schwer lösliche Blei(II)-sulfat, dass sich an der Elektrode absetzt (wodurch sie dicker wird).
Vorgänge an der Anode (Pluspol):
Reduktionsteilgleichung: Pb4+ + 2 e– → Pb2+
und
2 O2– + 4 H3O+ → 6 H2O bzw. 2 O2– + 4 H+ → 2 H2O
und
Pb2+ + SO42– → PbSO4↓
zusammen
PbO2 + 4 H3O+ + SO42– + 2 e– → PbSO4↓ + 6 H2O
bzw.
PbO2 + 4 H+ + SO42– + 2 e– → PbSO4↓ + 2 H2O
Beim Bleiakkumulator hast du es also mit einem Spezialfall einer Redoxreaktion zu tun, denn einmal werden (ungeladene) Bleiatome zu zweifach positiv geladenen Blei-Kationen oxidiert, während andererseits vierfach positiv geladene Blei-Kationen zu (nur noch) zweifach positiv geladenen Blei-Kationen reduziert werden.
Das bedeutet, dass Blei einmal von einer niedrigeren Oxidationsstufe auf eine höhere gebracht wird (von 0 auf +II) und einmal von einer höheren auf eine niedrigere (von +IV auf +II).
Wenn in einem Redoxvorgang Elementteilchen (Atome und Ionen) eines Elements von einer niedrigeren und einer höheren Oxidationsstufe auf eine mittlere gebracht werden, dann bezeichnet man das als Synproportionierung (oder auch Komproportionierung).
Beim Aufladen des Blei-Akkus laufen die genannten Vorgänge in der entgegengesetzten Richtung ab. Da dabei Energie aufgewendet werden muss, handelt es sich beim Aufladen um eine endotherme Reaktion.
Außerdem wird beim Aufladen aus dem jeweiligen Blei(II)-sulfat (mittlere Oxidationsstufe) wieder elementares Blei (niedrigere Oxidationsstufe) und Blei(IV)-oxid (höhere Oxidationsstufe). Diesen erzwungenen Redoxvorgang bezeichnet man als Disproportionierung.
Ich hoffe, ich konnte deine Fragen so beantworten, dass du es jetzt besser verstehst!?
Solltest du noch Nachfragen haben, stell sie im Kommentar. Ich werde mich dann bemühen, auch sie noch zu erklären.
LG von der Waterkant
Hey,
vielen lieben Dank für deine detailreiche Erklärung, die mir wirklich gefehlt hat. Die Fragen haben sich, denke ich, gelöst. Ich werde später versuchen, die Informationen anzuwenden und in meine Präsentation miteinbauen.
Viele Grüße
Nochmal Hey,
ich habe den Entladeprozess komplett verstanden. Nun habe ich ein paar Fragen zum Ladeprozess. Die Reaktion wird ja quasi nur umgekehrt, da aber eine Spannung angelegt ist bin ich einwenig verwirrt. Bei der Oxidation, also bei der positiven Bleioxid Elektrode, oxidiert das Bleisulfat zurück zu Bleioxid. Werden da von der Spannungsquelle Elektronen von dem Bleisulfat aufgenommen? Und bei der Reduktion: kommen die Elektronen von der Spannungsquelle oder von der Bleioxid Elektrode ?
Ich wäre dir sehr dankbar, wenn du mir genauso ausführlich erklären könntest, wie die Reaktionen ablaufen.
Der Bleiakkumulator ist ein wiederaufladbarer Energiespeicher, der in verschiedenen Anwendungen, einschließlich Fahrzeugen und Notstromversorgungen, eine entscheidende Rolle spielt. Sein Funktionsprinzip basiert auf elektrochemischen Reaktionen zwischen Blei (Pb) und Bleidioxid (PbO2) in einer Schwefelsäurelösung (H2SO4). Lass uns die Entladungs- und Aufladeprozesse des Bleiakkumulators genauer betrachten.
Entladeprozess:
Während des Entladens wird die negative Elektrode (Anode) des Akkus oxidiert.
Die chemische Reaktion an der Anode lautet: Pb→Pb2++2e−
.
Die Bleiionen im Akku reagieren mit den Sulfationen der Schwefelsäure zu Bleisulfat (PbSO4). Dieses Bleisulfat lagert sich an der Anode des Akkus an.
Das Wasserstoffmolekül (H2) reagiert nicht weiter und bleibt in der Lösung.
Aufladeprozess:
Während des Ladens wird die positive Elektrode (Kathode) des Akkus reduziert.
Die chemische Reaktion an der Kathode lautet: PbO2+4H++SO42−+2e−→PbSO4+2H2O
.
Hierbei bildet sich Bleisulfat an der positiven Elektrode zurück und Wasser entsteht.
Die Reversibilität dieser Reaktionen ermöglicht es dem Bleiakkumulator, viele Male aufgeladen zu werden, ohne seine Kapazität signifikant zu verlieren. Hey ich hoffe ich konnte weiterhelfen
Natürlich! Ich erkläre gerne den Entladeprozess an der Bleioxidelektrode im Bleiakkumulator genauer.
Entladeprozess des Bleiakkumulators:
-Während des Entladens wird die negative Elektrode (Anode) des Akkus oxidiert.
-Die chemische Reaktion an der Anode lautet: Pb→Pb2++2e−
-Die Bleiionen im Akku reagieren mit den Sulfationen der Schwefelsäure zu Bleisulfat (PbSO4). Dieses Bleisulfat lagert sich an der Anode des Akkus an.
Das Wasserstoffmolekül (H2) reagiert nicht weiter und bleibt in der Lösung.
-Aufladeprozess:
-Beim Laden laufen die Prozesse in umgekehrter Richtung ab, sodass das während des Entladens gebildete Bleisulfat zu Blei und reduziertem Bleioxid oxidiert wird.
-Wird das Bleisulfat vollständig verbraucht und der Ladevorgang nicht gestoppt, beginnt die Elektrolyse des Elektrolyten.
-Der Bleiakkumulator ist ein galvanisches Element, bei dem die chemische Energie zwischen Blei und Bleidioxid in elektrische Energie umgewandelt wird.
Ich hoffe das klärt deine Frage
Hey,
erstmal danke für die schnelle Antwort. Eine Frage hat sich definitiv schon geklärt dank deiner Antwort. Leider verstehe ich die Reduktion an der Bleioxidelektrode während des Entladeprozesses noch nicht. Könntest du mir das erklären?