Wie entsteht Energie in einer Zitronenbatterie, oder einem Bleiakkumulator?
Tagchen Leute, mal ne Frage, wie entsteht eigentlich die Energie in oberen beiden Experimenten, meine Vermutung wäre bei der Zitronenbatterie, dass der Kupferstab Elektronenüberschuss hat und der Zinkstab Elektronenmangel, die überschüssigen Elektronen des Kupferstabes versuchen in den Zinkstab zu kommen, wo Elektronenangel herrscht und müssen deshalb durch die Zitrone (säure) und wenn ein solcher Austausch möglich ist, fließt Strom ?
2 Antworten
Das ist grob richtig, aber an den Details klemmt es.
Die Energie kommt daher, daß Elektronen in Kupfer und Zink unterschiedlich fest gebunden sind. Zink ist unedel, gibt seine also leicht ab; Kupfer ist edler und bindet die Elektronen stärker.
Deshalb spuckt der Zinkstab Zn²⁺-Ionen in die Lösung (und lädt sich dabei negativ auf), während der Kupferstab das eher nicht tut. Da sich Elektronen nicht gerne drängen, ist die Reaktion am Zn-Stab bald zu Ende: Der Stab hat sich soweit aufgeladen, daß er keine weiteren positiven Teilchen mehr an die Zitrone abgeben kann, und fürs erste steht das Werk still.
Das ändert sich in dem Moment, indem wir die beiden Stäbe mit einem Leiter verbinden: Dann können die paar Überschußelektronen des Zn-Stabes über den Draht zum Cu-Stab wandern (der lädt sich negativ auf). Der Zn-Stab wird also wieder elektrisch neutral, aber statt sich darüber zu freuen, beginnt er sofort wieder, Zn²⁺-Ionen an die Zitrone abzugeben. Deshalb können wird dauerhaft einen Strom fließen lassen und damit z.B. eine kleine Lampe betreiben.
In der Lösung fließen auch Ladungen, aber umgekehrt: Denn die Zn²⁺-Ionen in der Zitrone werden vom negativen Cu-Stab angezogenund dort zu Zn⁰ reduziert. Während im Draht negative Ladung vom Zn zum Cu fließt, bewegt sich in der Lösung positive Ladung von Zn nach Cu. Deshalb tritt im Endeffekt keine große Ladungstrennung ein: Die Stäbe sind nur gerade so stark geladen, wie es notwendig ist, den Ladungsfluß aufrechtzuerhalten. Und sie laden sich im Lauf der Zeit ncht mehr auf.
Irgendwann ist entweder der Zn-Stab gänzlich aufgelöst, oder (wahrscheinlicher) der Cu-Stab so weit mit Zink vollgekleistert, daß nichts mehr geht. Dann ist die Batterie leer.
Jetzt könnte sich einer fragen: Moment, woher kommt die Energie? Wir haben dem System ja Energie entzogen (die Lampe hat geleuchtet), aber am Ende ist alles Zink wieder Zink (es ist nur gewandert), es ist zwar zwischendurch Zn²⁺ gewesen, aber Ende wieder Metall. Anders als beim echten Daniell-Element gibt es scheinbar keine Bruttoreaktion.
Das stimmt, und daher liefert das Ding auch seeehr wenig Energie. Der kleine Betrag kommt daher, daß die gewanderten Zinkatome nun der Oberfläche des Cu-Stabes haften. Ihre Elektronen profitieren nun davon, das Cu Elektronen fester bindet als Zn, weil sie zwischen der Zn-Oberfläche und dem Kupferstab hin- und herhüpfen können (wer jetzt an Bänder denkt, hat recht).
Die Bruttoreaktion ist letztlich: Zn (auf Zn) ⟶ Zn (auf Cu) + ein bißchen Energie.
Noch ein paar Worte zum Bleiakku. Der liefert überhaupt keine Energie, sondern speichert sie. Beim Laden pumpst Du die Energie rein und machst so etwas ähnliches wie eine Elektrolyse (es entsteht dabei auf einem Pol vierwertiges Blei), und wenn Du später die beiden Pole verbindest, läuft diese Elektrolyse-Reaktion rückwärts ab und liefert Dir die Energie zurück.