Thermodynamische Grössen einer Batterie 1. Einleitung

Elektrochemie
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Thermodynamische Grössen einer Batterie
1. Einleitung
In der Natur treten viele Elektronentransferprozesse auf, die sehr wesentlich für das
Funtionieren eines Lebewesens verantwortlich sind. Auch in der unbelebten Natur und in der
Technik sind Elektronentransferprzesse von grosser Bedeutung. Als Beispiel sei der
Energiespeicher Batterie genannt. Die Prozesse, die in einer Batterie ablaufen, lassen sich
durch die Thermodynamik quantitativ erfassen.
Die Thermodynamik ist aber nicht nur für den Chemiker interessant und enorm wichtig, auch
die Biophysikalische Chemie, Biopysik, Pharmazie, und viele Zweige der Technischen
Chemie und Bioptechnologie sind auf Kentnisse aus der Thermodynamik angewiesen. Für
viele Fragestellungen ist die Kenntnis der Grössen ∆G, ∆H und ∆S sehr wichtig, um
festzustellen, wie eine chemische Reaktion abläuft.
In diesem Versuch werden aus der Messung der Temperaturabhängigkeit der Spannung einer
Zn/Ag2O Batterie diese thermodynamischen Grössen bestimmt. Es soll gezeigt werden, wie
Elektrochemie und Thermodynamik zusammenhängen und wie aus recht einfachen
Messungen quantitative Aussagen über eine chemische Reaktion gemacht werden können.
Eine Zn/Ag2O Batterie ist wie folgt aufgebaut, siehe auch Abbildung 1:
Gl. (1)
Zn(s) / Zn O (s) / KOH (aq) / Ag2O (s), C (s)
s = fest (engl. solid) aq = wässrig (engl. aqueous)
1: Äussere Hülle
2: Innerer Mantel
3: Oberer Teil
4: Versiegelung
5: Anode
6: Absorbens
7: Trennmembran
8: Kathode;
9: Ausenhülle
10: Kathodenteil
11: Hülse
Abb. 1: Querschnitt durch eine Knopfzelle.
Die freie Energie ∆G hat folgende Beziehung zur elektromotorischen Kraft (EMK) E:
∆G = ∆H – T ∆S
∆G = –n*E*F
n = Anzahl übertragener Elektronen
F = Faraday Konstante = 96487 C/mol ≈ 97000 C/mol.
Gl. (2)
Gl. (3)
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2. Experimentelles
a) Material
Zur Verfügung steht eine Heizplatte, ein Gefäss, Paraffinöl, Thermometer, ein Batteriehalter,
eine Zn/Ag-Oxid Batterie und ein Voltmeter.
b) Versuchsdurchführung
Positionieren Sie die Batterie im Halter und verbinden Sie diese mit dem Voltmeter. Plazieren
Sie den Halter mit Batterie im Gefäss mit dem Paraffinöl. Erhitzen Sie das Becherglas mit
Paraffinöl langsam auf ca. 60 °C und messen Sie alle 2 °C die Temperatur und die Spannung.
Wiederholen Sie die Messung.
1. Bestimmen Sie aus Ihren experimentellen Daten ∆G, ∆H und ∆S nach Gleichung (2)
und (3). Diskutieren Sie Fehler und Fehlerquellen, unter der Annahme dass ∆T = 0.1
K und ∆E = 0.0001V sei.
2. Berechnen Sie aus den Standard-Bildungsenthalpien und Standard-Bildungsentropien,
die aus kalorimetrischen Daten stammen, ∆G, ∆H und ∆S für die Zellreaktion.
Benutzen Sie dazu die Werte aus Tabelle 1.
Tabelle 1. Standard Bildungsenthalpien
und Entropien aus kalorimetischen Daten.
Substanz
ΔHf (298 K) ΔSf (298 K)
kJ/mol
J/Kmol-1
Ag (s)
0
42.7
Ag2O (s)
-30.6
121.7
Zn (s)
0
41.6
ZnO (s)
-348.1
43.9
3. Vergleichen Sie die berechneten Wert von ΔG, ΔH, und ΔS mit Ihren Messwerten.
Diskutieren Sie die Unterschiede.
3. Aufgaben
4. Stellen Sie für das Zn/Ag-Oxid-System die anodischen und kathodischen
Entladungsprozesse sowie die spontane Zellreaktion auf.
5. Bestimmen Sie nach dem Born-Haberschen Kreisprozess die Gitterenergie von Ag2O
und ZnO nach den Werten in den Tabellen 1 und 2.
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Tabelle 2. Enthalpien/kJ mol-1.
Ag
Sublimationsenthalpie
289
Atomisierungsenthalpie
Ionisierungsenergie
732
Zn
130
2638
0.5 O2
248
704 (für ein Mol O Atome)
6. Diskutieren Sie aufgrund der Bildungsenthalpien von ZnO und Ag2O woher die
Energie der Zn/Ag2O Batterie “herkommt”.
7. Geben Sie Beispiele für
technologischer Bedeutung.
Elektronentransferprozesse
4. Literatur
Atkins & de Paula, Physical Chemistry, 7th Ed., Freeman, 2002.
Reich, Thermodynamik, 2. Aufl. VCH 1993.
Gmehling & Kolbe, Thermodynamik, 2. Aufl. VCH 1992.
Mortimer, Chemie, 5. Aufl., VCH 1987.
von
biologischer
und

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