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Stromfluss in der Batterie

Fragen rund um die anorganische Chemie (inkl. Ionenlotto)

Moderator: Chemiestudent.de Team

MichiPommes
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Beiträge: 3
Registriert: 29.08. 2021 18:35
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Stromfluss in der Batterie

Beitrag von MichiPommes »

Guten Abend,
ich habe da ein grundsätzliches Verständnisproblem hinter dem Funktionsprinzip einer Batterie, genauer dem Grund hinter der Kraft, die dafür sorgt, dass die Elektronen, sobald eine leitende Verbindung zwischen den beiden Elektroden besteht, von der Anode zur Kathode fliessen.

Mein Hintergrundwissen (ich berufe mich auf die Erklärungen hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Halbzelle):
Eine Batterie besteht aus zwei Halbzellen (zB wie beim Daniell-Element einer Zink und Kupfer-Elektrode).

Betrachten wir die Zink-Zelle (Kupfer analog): Die Habzelle als solche besteht aus einem Zinkstab, der in eine Elektrolytlösung
(hier: ZnSO4) eingetaucht ist. Sobald der Stab in die Lösung eingetaucht wurde, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht hier (siehe
https://de.wikipedia.org/wiki/Halbzelle ... Halbzellen) bei dem ein Teil der Atome aus dem Zinkstab ihre Elektronen "abgeben" (daher diese verbleiben als freie Elektronen im Metallstab) und dissoziieren selber als Zn2+-Ionen in die Lösung.

Durch diesen Prozess lädt sich der Zinkstab negativ auf (wegen des Elektronenüberschuss dort) und die Lösung wird positiv wegen den
dort schwimmenden Zn2+-Ionen.

(analoges passiert in der Kupfer-Halbzelle mit Cu-Atomen bzw Cu2+-Ionen, nur mit dem Unterschied, dass da Kupfer edler ist als Zink deutlich weniger
Kupfer-Atome ihr Elektrone abgeben und dissozieren). Mit anderen Worten in der Zink-Halbzelle sind die Zinkatome reaktiver und es geben daher mehr
Atome ihre Elektrone ab und dissoziieren als in der Kupfer-Halbzelle.

Dementsprechend lädt sich die Zinkelektrode stärker negativ auf (wegen des Elektronenüberschusses) als die Kupferelektrode. Wir bezeichen im folgenden die negativere Zinkelektrode als Anode und positivere Kupferelektrode als Kathode.

Soweit so gut, dann argumentieren alle Quellen, die ich kenne, dass aufgrund der Tatsache, dass in der Anode mehr Elektronen gibt als in der Kathode, sich eine elektrische Potenzialdifferenz bildet und sobald wir die Elektroden über ein leitendes Element miteinander verbinden, die im Überschluss vorhandenen Elektronen aus der Anode zur Kathode (wo deutlich weniger Elektronen gibt) aufgrund dieser Potentialdifferenz fliessen.


Ich finde bei diesen Erklärungen gibt es einige Punkte, die genauer erklärt werden sollten.


Zunächst: die Halbzelle als ganze, die aus dem Metallstab UND dem Elektrolyt besteht, bleibt trotz des Anteils der dissoziierenden Atome, die ihre Elektronen abgeben als ganzes ja elektrisch neutral: in der Summe addieren sich die negativen Elektronenladungen und die positiven Kathionen-Ladungen stets zu Null, also ist die Halbzelle als ganzes IMMER ladungsneutral, oder?

Also nächstes, ist die Frage, wie "frei" sind wirklich die Elektronen, die von den dissoziierenden Atomen abgegeben wurden und nun im Metallstab runfliegen. Die Dissoziation findet ja an der Oberfläche des Metallstabes statt (https://de.wikipedia.org/wiki/Elektroch ... pelschicht).

Muss man sich das so vorstellen, dass sobald ein Atom dissoziiert ist, seine nun abgegebenen Elektronen sich wirklich "frei" im Metallstab bewegen können, oder werden sie stets von den an der Kontaktschicht zwischen dem Metallstab und der Elektrolyt-Lösung sich tummelnden positiv geladenen Kationen an der Oberfläche "festgehalten" und sind somit nicht vollkommend frei beweglich?

Dies führt nämlich genau zu meiner Zentralfrage: Sind diese Elektronen, die von den dissoziieren Atomen stammen, die nun als Kationen in der Lösung schwimmen, starr an die Oberfläche durch die Anziehung der eingegegesetzt geladenen Kationen aus der Lösung "gebunden" oder liegen sie wirklich als "freie" Elektronen in Metallstab vor, also werden durch keine Oberflächeneffekte in ihren Bewegungsmöglichkeiten eingeschränkt?



Die Frage scheint mir dahingehend sehr wichtig zu sein, um die genaue Begründung für das Zustandekommen des Stroms in der Batterie verstehen zu können.

Zwar besteht in der Anode in der Tat ein Elektronenüberschuss im Vergleich zu Kathode und somit bewirkt das eine Potentialdifferenz, aber wieso
reicht das aus, damit Elektronen "genug Druck haben" sich von Anode zur Kathode zu bewegen?

Man könnte doch genauso gut damit argumentieren, dass bei der Anode auch mehr positiv geladene Kationen sich in der Phase zwischen der Lösung und Metallstaboberfläche befinden und durch entgegensetzte Ladung die Elektronen der Anode anziehen und somit dem Fluss der Anodenelektronen zur Kathode entgegenwirken. Damit käme der Stromfluss ja nicht zu Stande.
Was ist an dieser Überlegung falsch bzw wo ist mein Denkfehler hier?
Nobby
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Re: Stromfluss in der Batterie

Beitrag von Nobby »

Die Grundlage ist die Redoxreaktion zwischen Kupferionen und Zinkmetall.

Cu2+ + Zn => Zn2+ + Cu

Taucht man ein Zinkstab in eine Kupferionenlösung scheidet sich Kupfer ab und Zinkionen gehen in Lösung.

Wenn man das nun trennt, siehe Danielelementaufbau passiert immer noch das gleiche. Zink taucht in eine Zinkionenlösung und Kupfer in eine Kupferionenlösung. Beide Zellen sind durch ein Diaphragma getrennt.
An den beiden Elektroden passiert das was geschildert wurde.
An der Metalloberfläche tauschen sich kontinuierlich Ionen und Metallatome die Elektronen aus. Getrennt unterscheidet sich Zink von Kupfer nicht. Wenn jetzt eine leitende Verbindung hergestellt wird , dann is es ähnlich wie der Zinkstab in der Kupferlösung, das Kupfer ein Abscheidungsbestreben hat und Zink ein Auflösungsbestreben. Zink löst sich und Elektronen gehen in den Stab. Kupfer scheidet sich ab und entnimmt Elektronen aus dem Kupferstab. Dadurch entsteht ein Gefälle was als Motor wirkt. Man spricht auch von elektromotorischer Kraft, die die Elektronen durch die Stäbe und der Leitung von Anode zur Kathode bewegen lässt.
MichiPommes
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Re: Stromfluss in der Batterie

Beitrag von MichiPommes »

Hi,
danke für Deine Antwort. Das erklärt wie der Stromfluss in der Batterie letztlich zustande kommt. Allerdings greift es leider (vielleicht übersehe ich es auch) mein Hauptanliegen: Wenn wir nur eine Halbzelle betrachete n(sagen wir Zink und andere Zelle vergessen), also den Zinkstab in einer Elektrolytlösung ZnSO4, wie stark sind die Elektronen, die von den dissoziierten Atomen abgegeben wurden, an den Zinkstab als Ladungsträger gebunden?

Wenn ich zum Beispiel jetzt den Zinkstab über einen Leiter mit einem neutral geladenem Objekt verbinde (Metallkugel oder so), würde dann zumindest ein Teil dieser Elektronen im Zinkstab dahin wandern? Rein elektrostatisch sollte es ja gehen, da sich die Elektronen gegenseitig anstossen, oder würden es die positiv geladenen Zn++ -Ionen in der Phase zwischen Staboberfläche und Lösung durch entgegengesetzte Ladung vollständig verhindert können?
Nobby
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Re: Stromfluss in der Batterie

Beitrag von Nobby »

Nein. Es findet nur der Austausch an der Oberfläche statt. Zink geht in Lösung und es scheidet sich auch wieder welches ab. Das ist ein Gleichgewicht. Da wandern keine Elektronen in den Stab da kein Gefälle da ist.
Der Treiber ist die Redoxreaktion mit zwei unterschiedlichen Metallen.
MichiPommes
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Re: Stromfluss in der Batterie

Beitrag von MichiPommes »

Bleiben wir weiter bei der Zink-Halbzelle:
An der Oberfläche bildet sich ja ein chemisches Gleichgewicht zu Zn <=> Zn2+ + 2e-.
Also werden immer wieder mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit Elektronen von den dissoziierten Zink-Atomen abgegeben,
während gleichzeitig welche wieder von in der Lösung befindlichen Zn2+ aufgenommen werden, wodurch die Ionen sich
wieder als Zinkatome an der Oberfläche ablagern, eben was ein dynamisches Gleichgewicht per definitionem ist.

Dann kommt die Stelle, die ich leider noch nicht ganz begreife. Wenn so ein Gleichgewicht besteht, befindet sich
zu jedem Zeitpunkt doch gleichwohl ein gewisser Elektronenüberschuss im Zinkstab; die Elektronen
auf der rechten Seite der Gleichung halten sich doch eben im Zinkstab auf. Der Austausch/Übergang findet wie du
es gesagt hast an der Oberfläche statt, aber meinst du damit auch, dass sich die abgegebenen Elektronen
NUR innerhalb der Kontaktschicht zwischen Lösung und Oberfläche aufhalten können?

Sprich, die Art und Weise wie sich die Elektronen hier im Zinkstab eingetaucht in Elektrolyt-Lösung (=Halbzelle) anhäufen, ist
grundverschieden dazu wie sich die überschüssigen Elektronen in einem statisch negativ aufgeladenem Zinkstab
verteilen würden?
Nobby
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Re: Stromfluss in der Batterie

Beitrag von Nobby »

Der gesamte Zinkstab besteht aus Metallatomen mit Elektronen. Elektronen sind nicht unterscheidbar. Wenn etwas Metall in Lösung gegangen ist sind die Elektronen an der Oberfläche können natürlich auch in den Stab wandern und andere Elektronen treten an anderer Stelle wieder aus. Da aber keine Kraft da ist sind sie hauptsächlich an der Oberfläche.
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