Die Uhrenbatterie
AFB I–IIArmbanduhren enthalten häufig Silberoxid-Knopfzellen. Minuspol ist ein Zinkpulver-Gel in Kalilauge, Pluspol eine Tablette aus Silber(I)-oxid \(\ce{Ag2O}\) mit Graphit; beim Entladen entstehen Zinkoxid und Silber. M1 vergleicht die Entladekurven mit einer Alkali-Mangan-Zelle gleicher Größe; M2 enthält Daten.
| Größe | Wert |
|---|---|
| Masse \(\ce{Ag2O}\) in der Zelle | 0,100 g |
| \(M(\ce{Ag2O})\), \(M(\ce{Zn})\) | \(231{,}7\) bzw. \(65{,}38\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
- Formulieren Sie die Reaktionen an Minus- und Pluspol sowie die Gesamtreaktion.
- Bestimmen Sie die Oxidationszahlen aller Atome, die ihre Oxidationszahl ändern, und benennen Sie Oxidations- und Reduktionsmittel.
- Berechnen Sie die Masse an Zink, die mindestens eingebaut sein muss, damit das Silberoxid vollständig umgesetzt werden kann.
- Beurteilen Sie mit M1, welcher Zelltyp für eine Quarzuhr besser geeignet ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Minuspol (Anode): \(\ce{Zn + 2 OH- -> ZnO + H2O + 2 e-}\)
Pluspol (Kathode): \(\ce{Ag2O + H2O + 2 e- -> 2 Ag + 2 OH-}\)
Gesamt: \(\ce{Zn + Ag2O -> ZnO + 2 Ag}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Zn: 0 → +II (Oxidation, Zink ist Reduktionsmittel). Ag: +I → 0 (Reduktion, Silber(I)-oxid ist Oxidationsmittel). O und H behalten −II bzw. +I.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\ce{Ag2O}) = 0{,}100\,\mathrm{g}/231{,}7\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 4{,}32\cdot10^{-4}\,\mathrm{mol} = n(\ce{Zn})\); \(m(\ce{Zn}) = 4{,}32\cdot10^{-4}\cdot 65{,}38\,\mathrm{g} \approx 0{,}028\,\mathrm{g}\) (28 mg); in der Praxis mit etwas Überschuss.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Silberoxid-Zelle hält ihre Spannung bis etwa 85 % der Kapazität nahezu konstant bei 1,55 V und bricht dann rasch ein; die Alkali-Mangan-Zelle verliert gleichmäßig an Spannung. Eine Quarzuhr (Elektronik mit fester Betriebsspannung) läuft mit der konstanten Spannung zuverlässiger; der steile Abfall am Ende zeigt den Wechselzeitpunkt klar an. Nachteile: Silber ist teuer, deshalb nur in kleinen Zellen sinnvoll. Urteil: Für Uhren ist die Silberoxid-Zelle besser geeignet.
Die Zink-Kohle-Zelle
AFB II–IIIDie Zink-Kohle-Zelle (Leclanché-Element) war lange die häufigste Batterie. Der Zinkbecher ist zugleich Gehäuse und Minuspol. Er enthält eine Paste aus Ammoniumchlorid-Lösung, die mit Stärke eingedickt ist, und in der Mitte einen Graphitstab, umgeben von Mangandioxid (Pluspol). Beim Entladen entstehen Zink-Ionen, Mangan(III)-oxidhydroxid \(\ce{MnO(OH)}\) und Ammoniak. Ältere, vollständig entladene Zellen laufen häufig aus. Die heute verbreitete Alkali-Mangan-Zelle enthält dagegen Zinkpulver in Kalilauge und einen Stahlbecher.
| Eigenschaft | Zink-Kohle-Zelle | Alkali-Mangan-Zelle |
|---|---|---|
| Nennspannung | 1,5 V | 1,5 V |
| Elektrolyt | \(\ce{NH4Cl}\)-Paste (schwach sauer) | Kalilauge (stark basisch) |
| Zink | Becher (Gehäuse) | Pulver-Gel im Inneren |
| entnehmbare Energie (AA) | etwa 1,5 Wh | etwa 3 Wh |
| Preis | niedrig | mittel |
- Erläutern Sie, dass die Zink-Kohle-Zelle eine galvanische Zelle ist, und ordnen Sie Donator, Akzeptor, Elektrolyt und Pole zu.
- Entwickeln Sie die Teilgleichung am Pluspol (Edukte: \(\ce{MnO2}\), \(\ce{NH4+}\)) und die Gesamtgleichung; erläutern Sie die Rolle der Ammonium-Ionen.
- Deuten Sie die Beobachtung, dass vollständig entladene Zink-Kohle-Zellen häufig auslaufen.
- Vergleichen Sie die beiden Zelltypen mit M3 und begründen Sie, warum die Alkali-Mangan-Zelle mehr Energie liefert.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die freiwillige Redoxreaktion zwischen Zink und Mangandioxid ist räumlich getrennt: Zink (Donator) gibt am Minuspol Elektronen ab, die über den Verbraucher zum Graphitstab fließen und dort vom Mangandioxid (Akzeptor) aufgenommen werden. Die Ammoniumchlorid-Paste ist der Elektrolyt (Ionenleiter); Graphit dient als Elektronenleiter am Pluspol.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Pluspol: \(\ce{2 MnO2 + 2 NH4+ + 2 e- -> 2 MnO(OH) + 2 NH3}\); Minuspol: \(\ce{Zn -> Zn^2+ + 2 e-}\).
Gesamt: \(\ce{Zn + 2 MnO2 + 2 NH4+ -> Zn^2+ + 2 MnO(OH) + 2 NH3}\).
Die Ammonium-Ionen wirken als Säure (Protonendonator, Kapitel 3): Sie liefern die Protonen, die zusammen mit den Elektronen an das Mangandioxid gebunden werden; sie selbst werden nicht reduziert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Der Zinkbecher ist gleichzeitig Gehäuse und Reaktionspartner. Beim Entladen wird er oxidiert und dünner; bei tiefer Entladung entstehen Löcher, durch die die Elektrolytpaste austritt. Zusätzlich kann sich durch Nebenreaktionen Gas bilden, das den Druck erhöht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Gemeinsam: gleiche Redoxpartner Zink/Mangandioxid, gleiche Nennspannung 1,5 V, beide nicht aufladbar.
Unterschiede: Die Alkali-Mangan-Zelle nutzt Zinkpulver (sehr große Oberfläche) und die gut leitende Kalilauge; dadurch kann ein größerer Strom fließen, und das Zink wird vollständiger umgesetzt — etwa die doppelte Energie. Da der Stahlbecher nicht mitreagiert, ist sie zudem auslaufsicherer. Die Zink-Kohle-Zelle ist billiger, liefert aber weniger Energie und bricht bei hohen Strömen stärker ein.