Die Alkali-Mangan-Batterie: Übungen – Chemie Leistungskurs

A1

Primär oder sekundär?

AFB I

Ordnen Sie die Zellen zu: nicht wiederaufladbare Primärzelle oder wiederaufladbare Sekundärzelle (Akkumulator).

Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).

1Primärzelle

2Sekundärzelle

Entscheidend ist, ob sich die Zellreaktion durch Laden praktisch vollständig umkehren lässt. Die Bauform (Knopfzelle, AA) sagt darüber nichts aus.

Ansatz: „Akku“ steht für Sekundärzelle.

Weiter: Lithium gibt es in beiden Gruppen.

A2

Aussagen zu Batterien

AFB I

Entscheiden Sie, ob die Aussage zutrifft.

Fünf Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.

Aussage 1 von 5

Spannung (Redoxpaare) und Kapazität (Stoffmenge) sind unabhängige Kenngrößen.

Ansatz: Minuspol = Anode bei jeder galvanischen Zelle.

Weiter: Reihe addiert Spannungen.

A3

Kathode der Silberoxid-Zelle

AFB I

In der Knopfzelle einer Armbanduhr wird Silber(I)-oxid in alkalischem Elektrolyten zu Silber reduziert. Formulieren Sie die Kathodenreaktion.

Setze den Bauplan von links nach rechts zusammen. Ein Klick legt den Baustein auf den nächsten freien Platz, ein Klick im Bauplan legt ihn zurück. Enter funktioniert genauso.

Im alkalischen Milieu wird mit H₂O und OH⁻ ausgeglichen, nicht mit H⁺. Zwei Ag(+I) brauchen zusammen zwei Elektronen.

Ansatz: Elektronen stehen bei der Reduktion links.

Weiter: Sauerstoff aus dem Oxid landet in OH⁻.

A4

Zink-Luft-Knopfzelle

AFB II

Eine Hörgerätebatterie (Zink-Luft, 1,4 V) hat eine Kapazität von 600 mAh; Zink wird zu ZnO oxidiert (\(M(\ce{Zn}) = 65{,}38\,\text{g/mol}\), \(F = 96\,485\,\text{C/mol}\)). Berechnen Sie schrittweise.

Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.

Ladung \(Q\) = C
umgesetztes Zink \(m\) = mg
Energie \(W\) = Wh

\(Q = 0{,}600\,\text{A} \cdot 3600\,\text{s} = 2160\,\text{C}\); \(n(\ce{e-}) = 22{,}4\,\text{mmol}\), \(n(\ce{Zn}) = 11{,}2\,\text{mmol}\), \(m = 732\,\text{mg}\). \(W = 1{,}4\,\text{V} \cdot 0{,}600\,\text{Ah} = 0{,}84\,\text{Wh}\). Häufiger Fehler: mAh nicht in As umrechnen oder z = 2 vergessen.

Ansatz: 1 mAh = 3,6 C.

Weiter: Zn → Zn(+II): zwei Elektronen je Atom.

A5

Mix: Oxidationszahlen in Batterien

AFB II

Ermitteln Sie mit den Regeln aus 4.1.1, wie sich die Oxidationszahl des genannten Elements beim Entladen ändert.

Klicke links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.

In FeS₂ liegt das Disulfid-Ion S₂²⁻ vor, Schwefel hat −I und Eisen +II. Oxidationszahlen sinken am Pluspol (Reduktion) und steigen am Minuspol.

Ansatz: Elemente: Oxidationszahl 0.

Weiter: FeS₂ enthält S₂²⁻, nicht S²⁻.

A6

Knopfzellen im Vergleich

AFB II

Bestimmen Sie für jede Zelle das Material am Minuspol und die Art des Elektrolyten: Kalilauge (KOH) oder wasserfrei (ohne H₂O). Pro Zeile zwei Kreuze.

Setze alle zutreffenden Kreuze — in manchen Zeilen passen mehrere. Enter setzt und löscht.

Zelle	Zn	Li	KOH	ohne H₂O
Zink-Luft
Silberoxid
Li-MnO₂ (CR2032)
Li-FeS₂ (AA)

Lithium reagiert heftig mit Wasser (2 Li + 2 H₂O → 2 LiOH + H₂) und braucht deshalb einen wasserfreien organischen Elektrolyten. Zinkzellen arbeiten mit Kalilauge.

Ansatz: Lithium und Wasser vertragen sich nicht.

Weiter: Zinkzellen: Kalilauge.

A7

Kapazität messen

AFB II

Eine Gruppe möchte die Kapazität einer Knopfzelle experimentell bestimmen. Beschreiben Sie das Vorgehen in der richtigen Reihenfolge.

Ziehe die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.

1Die Zelle über einen festen Lastwiderstand entladen.

2Spannung und Stromstärke in festen Zeitabständen messen.

3Die Messung bei der Abschaltspannung (etwa 0,9 V) beenden.

4Die Ladung als Summe der Produkte I · Δt berechnen.

5Die Energie als Summe der Produkte U · I · Δt berechnen.

Weil die Stromstärke beim Entladen langsam sinkt, wird nicht einfach I · t gerechnet, sondern Abschnitt für Abschnitt aufsummiert.

Ansatz: Erst entladen und messen, dann auswerten.

Weiter: Energie braucht zusätzlich die Spannung.

A8

Werbeversprechen prüfen

AFB III

Ein Online-Shop bewirbt eine Alkali-Batterie. Überprüfen Sie die Aussagen und markieren Sie die fachlich falschen.

In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.

Spannung folgt aus den Redoxpaaren, Kapazität aus der Stoffmenge. Laden ist nur bei Sekundärzellen vorgesehen.

Ansatz: Welche Aussagen verwechseln Spannung und Kapazität?

Weiter: Drei Zeilen sind falsch.

A9

Energie pro Masse

AFB III

Eine Lithium-Knopfzelle CR2032 (3,0 V, 220 mAh) wiegt 3,0 g, eine Alkali-Zelle AA (1,5 V, 2500 mAh) 23 g. Vergleichen Sie die massebezogenen Energien: Um wie viel Prozent ist sie bei der Lithiumzelle größer?

Rechne selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.

CR2032: \(3{,}0\,\text{V} \cdot 0{,}220\,\text{Ah} = 0{,}66\,\text{Wh}\) → \(220\,\text{Wh/kg}\). AA: \(1{,}5\,\text{V} \cdot 2{,}5\,\text{Ah} = 3{,}75\,\text{Wh}\) → \(163\,\text{Wh/kg}\). Verhältnis 1,35: rund 35 % mehr. Typischer Fehler: nur die Kapazitäten vergleichen — die doppelte Spannung des Lithiums gehört dazu.

Ansatz: W = U · Q, dann durch die Masse teilen.

Weiter: Gramm in Kilogramm umrechnen.

A10

Trickaufgabe: Größe und Spannung

AFB III

Beurteilen Sie die Aussagen über eine AAA-Zelle (Micro) und eine D-Zelle (Mono), beide Alkali-Mangan.

Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.

Größe bestimmt die Stoffmenge, also Kapazität und Stromstärke — die Spannung ist eine Eigenschaft des Redoxsystems. Die Entladekurve fällt nicht linear auf null.

Ansatz: Spannung = Potenzialdifferenz der Redoxpaare.

Weiter: Parallel: Spannung bleibt, Kapazität addiert sich.

Übungen: Die Alkali-Mangan-Batterie

Übungsaufgaben