In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit dem einen Schwerpunkt unserer Arbeit, nämlich


1. Physikalische und elektrochemische Vorgänge in einem Bleiakkumulator

    Im Prinzip besteht ein Bleiakku wie jede Batterie und alle anderen Akkumulatoren aus

    • einer positiven Elektrode (Anode),
    • einer negativen Elektrode (Kathode) und
    • dem Elektrolyten.


    Die aktive Masse der Elektroden besteht in der folgenden modellhaften Erklärung aus Bleisulfat (PbSO4). Schwefelsäure (H2SO1), die mit Wasser (H2O) verdünnt wurde, dient als Elektrolyt.
    Jetzt unterscheidet man sinnvoll vier verschiedene Zustände.

    1.1 Der entladene Zustand

    Im entladenen Zustand besteht die aktive Masse wie oben beschrieben aus Bleisulfat und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure.

    Symbole: Wasserstoff (H) Sauerstoff (O)
      Blei (Pb) Sulfat-Ionen (SO42+)


    Zum Aufladen schließt man eine Gleichstromquelle an:


    1.2 Das Aufladen

    Beim Laden werden der negativen Elektrode von der Stromquelle Elektronen zugeführt und der positiven Elektrode Elektronen entzogen.
    Das Bleisulfat der negativen Platte gibt seine Sulfat-Ionen an die Lösung ab, und die überbleibenden Blei-Ionen bilden mit den sich in der Platte befindlichen Elektronen metallisches Blei.
    An der positiven Elektrode bilden die Blei-Ionen mit dem im Wasser enthaltenen Sauerstoff Bleioxid. Die so auch in die Lösung abgegebenen Sulfat-Ionen verbinden sich mit den ebenfalls vorhandenen Wasserstoff-Ionen zu Schwefelsäure.
    Weil weniger Wasser und mehr Schwefelsäure vorhanden ist als vorher, steigt die die Konzentration des Elektrolyten.


    1.3 Der aufgeladene Zustand

    Die aktive Masse

    • der negativen Platte besteht nun aus metallischem Blei und die
    • der positiven Platte aus Bleioxid.

    Die Konzentration der Schwefelsäure ist durch das Aufladen gestiegen.

    Der geladene Akkumulator stellt nun eine
    Stromquelle mit einer Klemmen-Spannung von U=2V dar.


    1.4 Das Entladen

    Wenn nun ein Verbraucher die negative und positive Elektrode verbindet, entsteht ein Elektronenfluss zwischen beiden Platten.

    Dabei bildet sich an den Elektroden die aktive Masse zu Bleisulfat zurück und es entsteht Wasser, so dass die Konzentration des Elektrolyten zurückgeht.
    Die Konzentration des Elektrolyten ist damit ein Maß für den Ladezustand.

    Das Entladen macht also die chemischen Prozesse des Ladens rückgängig.

    Nun kann man den Akku neu aufladen und den Prozess neu starten.


    Schematisiert, stark vereinfacht zusammen gefasst, spielen sich die folgenden chemischen Vorgänge ab, wobei die Reaktionsgleichung von links nach rechts gelesen das Aufladen beschreibt, von rechts nach links gelesen das Entladen.

    2PbSO4 + 2H2O + Energie <----> PbO2 + Pb + 2H2SO4

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2. Ein kleiner Schulversuch zum Verständnis des Bleiakkumulators

    Zum eigenen besseren Verständnis führen wir einen kleinen Versuch mit Geräten aus unserer Chemie-Übungs-Sammlung durch.

    Geräte,
    Chemikalien:

    Gleichspannungsquelle, Verbindungskabel, zwei Messgeräte, Belastungs-Widerstand; Glasbehälter mit 10%iger Schwefelsäure und zwei Bleiplatten

    Durchführung: Man gibt die beiden Bleiplatten in das mit etwa 10%iger Schwefelsäure gefüllte Gefäß.

    Aufladen:

    Die zwei Bleiplatten (Elektroden) werden mit dem Plus- bzw. mit dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle verbunden. Dabei ist darauf zu achten, dass sich die Bleiplatten nicht berühren, da sonst ein Kurzschluss entstehen kann.

    Zusätzlich bauen wir zwei Geräte zur Messung der Lade-Stromstärke I (in A - Ampere) und der Spannung U (in V - Volt) der Stromquelle ein (siehe Prinzipschaltskizze).

    Nach dem Aufbau kann man den „Modell-Akku“ für bestimmte Zeiten (typisch einige Minuten) bei Spannungen von einigen Volt und Stromstärken von einigen Ampere aufladen.

    Beobachtung: Beim Einschalten der Gleichspannungsquelle entstehen an den Elektroden kleine Bläschen, die einen nebeligen Rauch hinterlassen, nachdem sie an die Oberfläche treten.


    Entladen:

    Danach wird die Gleichspannungsquelle durch einen "Verbraucher" , nämlich einen Belastungswiderstand ersetzt.

    Die Entladezeit ist abhängig von der Belastung sowie von der Aufladezeit und der Ladestromstärke.


    Nach "Demontage" des Modell-Akkumulators erkennt man deutlich

    • das braune Bleioxid (PbO2) an einer Elektrode und

    • das metallische graue Blei an der anderen Elektrode.
    • (Daneben steht ein Feuerzeug zum Größenvergleich.)


    Zum "Weiterlesen" hier ein Hinweis auf



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Erstellt am 26.01. 2004; zuletzt geändert am 07.11.2004 . (Ka)