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Übungen: Batterien

Knopfzelle, Zink-Luft, Lithium: Welche Chemie steckt in welcher Batterie?

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Übungsaufgaben

Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.

A1
Was steckt in jeder Batterie?
AFB I

Nennen Sie alle Bestandteile, die jede Batterie besitzen muss.

Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Eine Batterie ist eine galvanische Zelle: Donator, Akzeptor, Ionenleiter und eine Trennung, die den direkten Kontakt (Kurzschluss) verhindert, aber Ionen durchlässt.
Denken Sie an die Bauteile einer galvanischen Zelle.
Vier Bestandteile sind richtig.
A2
Batterie-Wissen im Check
AFB I

Entscheiden Sie, ob die Aussagen stimmen.

5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5

Reihenschaltung erhöht die Spannung, Parallelschaltung die entnehmbare Ladung.
Primär = einmal benutzbar.
Reihe: Spannungen addieren sich.
A3
Wohin gehört der Stoff?
AFB I

Ordnen Sie die Stoffe aus verschiedenen Batterien ein.

Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1Minuspol (Donator)
2Pluspol (Akzeptor)
3weder noch
Unedle Metalle (Zn, Li) sind Donatoren am Minuspol. Metalloxide mit hoher Oxidationsstufe und Sauerstoff sind Akzeptoren am Pluspol. Separator und Elektrolyt reagieren nicht als Donator oder Akzeptor.
Unedle Metalle geben Elektronen ab.
Zwei Stoffe sind weder Donator noch Akzeptor.
A4
Welche Kathode gehört zu welcher Batterie?
AFB II

Ordnen Sie jeder Kathodenreaktion die Batterie zu.

Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Das Oxidationsmittel verrät die Batterie: Luftsauerstoff, Silberoxid, Mangandioxid mit Ammonium-Ionen (saurer Elektrolyt) bzw. mit Lithium-Ionen (wasserfreier Elektrolyt).
Suchen Sie den Akzeptor in jeder Gleichung.
Ammonium-Ionen stammen aus dem Elektrolyten der Zink-Kohle-Zelle.
A5
Taschenlampe mit drei Zellen
AFB II

Eine Taschenlampe enthält drei Zink-Kohle-Zellen (je 1,5 V) in Reihe; die Lampe nimmt eine Leistung von 0,90 W auf. Berechnen Sie.

Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt, negative Werte mit Minuszeichen.
  1. Gesamtspannung V
  2. Stromstärke A
  3. elektrische Energie in 2,0 h kJ
\(U = 3\cdot 1{,}5\,\mathrm{V} = 4{,}5\,\mathrm{V}\); \(I = P/U = 0{,}90/4{,}5 = 0{,}20\,\mathrm{A}\); \(W = P\cdot t = 0{,}90\,\mathrm{W}\cdot 7200\,\mathrm{s} = 6480\,\mathrm{J} = 6{,}48\,\mathrm{kJ}\).
Reihe: Spannungen addieren.
P = U · I und W = P · t (t in Sekunden).
A6
Die Uhrenbatterie
AFB II

In der Silberoxid-Knopfzelle reagiert Zink zu Zinkoxid, Silberoxid zu Silber. Stellen Sie die Gesamtgleichung auf.

Klicken Sie die Bausteine in der richtigen Reihenfolge an — sie wandern nacheinander in die Plätze. Ein Klick auf einen belegten Platz gibt den Baustein zurück.
Anode: \(\ce{Zn + 2 OH- -> ZnO + H2O + 2 e-}\); Kathode: \(\ce{Ag2O + H2O + 2 e- -> 2 Ag + 2 OH-}\). Addiert kürzen sich \(\ce{OH-}\) und \(\ce{H2O}\): \(\ce{Zn + Ag2O -> ZnO + 2 Ag}\).
Beide Teilgleichungen übertragen 2 Elektronen.
Hydroxid-Ionen und Wasser kürzen sich heraus.
A7
Oxidationszahlen in Batterien
MixAFB II

Bestimmen Sie die Oxidationszahlen (als ganze Zahl mit Vorzeichen).

Füllen Sie alle Felder aus und prüfen Sie dann. Enter in einem Feld prüft ebenfalls. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
TeilchenAtomOZ
\(\ce{MnO2}\)Mn
\(\ce{MnO(OH)}\)Mn
\(\ce{LiMnO2}\)Mn
\(\ce{Ag2O}\)Ag
\(\ce{ZnO}\)Zn
In allen Mangan-Batterien wird Mn von +IV auf +III reduziert (ein Elektron je Mn-Atom); Silber geht von +I auf 0, Zink von 0 auf +II. Die Oxidationszahlen aus 4.1.1 zeigen sofort, wer Donator und wer Akzeptor ist.
O −II, H +I, Li +I.
In MnO(OH): x − 2 − 2 + 1 = 0.
A8
Luft als Oxidationsmittel
AFB III

Erklären Sie Vor- und Nachteile der Zink-Luft-Knopfzelle. Vervollständigen Sie den Text — drei Wörter bleiben übrig.

Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.

Der Akzeptor Sauerstoff stammt aus der und muss nicht in der Zelle mitgeführt werden; fast der ganze Innenraum steht für den Donator zur Verfügung. Vor Gebrauch zieht man eine von den Luftlöchern ab. Danach kann die Zelle und Kohlenstoffdioxid aufnehmen, auch wenn sie nicht benutzt wird. Dafür speichert sie bei gleicher Größe besonders viel .

Übrig bleiben „Wasserstoff“, „Kupfer“ und „aufladen“. Gesamtreaktion: \(\ce{2 Zn + O2 -> 2 ZnO}\). Hohe Energiedichte, aber begrenzte Lebensdauer nach dem Öffnen — ideal für Hörgeräte mit gleichmäßigem Verbrauch.
Woher kommt der Sauerstoff?
Was passiert mit einem Elektrolyten, der mit Luft in Kontakt steht?
A9
Die Lithium-Knopfzelle
AFB III

Ein Referat beschreibt die Lithium-Knopfzelle (Li/MnO₂, 3 V). Überprüfen Sie die Aussagen.

In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Die hohe Spannung (3 V) verdankt die Zelle dem sehr unedlen Lithium; dafür braucht sie einen wasserfreien Elektrolyten.
Wo findet die Oxidation statt?
Drei Aussagen sind falsch.
A10
Trickaufgabe: Vier Zellen im Gerät
TrickAFB III

Ein Gerät enthält vier 1,5-V-Zellen: Je zwei sind in Reihe geschaltet, und diese beiden Paare sind parallel verbunden. Ermitteln Sie die Spannung, die am Gerät anliegt.

Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
V
Jedes Paar in Reihe liefert 2 · 1,5 V = 3,0 V. Die Parallelschaltung zweier 3-V-Paare ändert die Spannung nicht — sie verdoppelt die entnehmbare Ladung. Die Falle: 4 · 1,5 V = 6 V gilt nur, wenn alle vier Zellen in Reihe liegen.
Rechnen Sie zuerst ein Paar aus.
Parallelschaltung addiert keine Spannungen.