www.wikidata.de-de.nina.az

Zellspannung Die ist die elektrische Spannung einer einzelnen elektrochemischen Zelle d h eines galvanischen Elements ei

Zellspannung

Die Zellspannung ist die elektrische Spannung einer einzelnen elektrochemischen Zelle, d. h. eines galvanischen Elements (einschließlich der umgangssprachlich als Batterien bezeichneten Primärzellen, der Akkumulatoren und Brennstoffzellen) oder einer Elektrolysezelle.

Fließt kein elektrischer Strom durch die Zelle, so nennt man die Spannung an der Zelle die Ruhespannung (Klemmenspannung im stromlosen Zustand), auch Leerlaufspannung genannt. Bei einer Batterie beispielsweise tritt die Ruhespannung auf, solange keine elektrische Energie entnommen wird. Die Betriebsspannung einer galvanischen Zelle (Lastspannung der Batteriezelle) ist immer kleiner als die Ruhespannung der Zelle, da beim Betrieb der innere Widerstand der Zelle zu einem Spannungsverlust führt. Die Betriebsspannung einer Elektrolysezelle ist immer größer als ihre Ruhespannung, nicht nur wegen des inneren Widerstandes der Zelle, sondern auch aufgrund von Überspannungen. In Übereinstimmung mit dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist daher die Energie, die man beim Laden eines Akkumulators oder einer reversiblen Brennstoffzelle benötigt, immer größer als die, die man beim Entladen wieder entnehmen kann.

Die Spannung einer Batterie aus mehreren Zellen, welche alle in Reihe geschaltet sind, ergibt sich aus der Summe der Zellspannungen der einzelnen Elemente.

Reversible Zellspannung Bearbeiten

Befindet sich die Zelle im Gleichgewicht, so ist die Ruhespannung gleich der reversiblen Zellspannung oder Leerlaufspannung. Ein historisch bedeutsamer, aber veralteter Begriff ist elektromotorische Kraft EMK.

Für die reversible Zellspannung gilt

mit Gibbs-Energie (Freie Enthalpie) der Zellreaktion (J/mol), = Zahl der bei der Reaktion übertragenen Elektronen, = Faradaykonstante ( ≈ 96485,3 As/mol) und = reversible Zellspannung (Ruhepotentialdifferenz zwischen den Elektroden).

Thermodynamische Grundlagen Bearbeiten

Nach dem Energieerhaltungssatz (1. Hauptsatz der Thermodynamik) kann keine Energie verschwinden oder neu entstehen. Bei chemischen und elektrochemischen Reaktionen treten aber immer auch Entropieänderungen auf, insbesondere auch durch einen Wärmetransport über die Systemgrenzen hinweg. Es gilt bei einer konstanten Temperatur der Zelle nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik bzw. nach der Definition der Entropie:

mit Entropieänderung der Reaktion, reversible Wärme der Reaktion und Temperatur der Reaktion, hier: der Zelle.

Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik bzw. nach der Definition der Reaktionsenthalpie gilt:

mit reversible Arbeit, z. B. elektrische Arbeit. beinhaltet keine Arbeit gegen den äußeren Druck bei Volumenänderungen. Daraus folgt durch Kombination der beiden obigen Gleichungen für die reversible Arbeit:

Die reversible Arbeit hängt also neben der eigentlichen Reaktionsenthalpie auch direkt von der Temperatur und der Änderung der Reaktionsentropie ab.

Mit der Definition der Gibbs-Energie erhält man

Berücksichtigt man, dass die Ladung pro Formelumsatz ist, so erhält man die elektrische Arbeit pro Formelumsatz mit der Gleichung

Aus den letzten beiden Gleichungen erhält man die oben angegebene Gleichung .

Beispiele Bearbeiten

Bei einer Temperatur von 25 °C beträgt die reversible Zellspannung sowohl der Wasserelektrolyse als auch der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle 1,23 V. Die Zellspannung eines geladenen Bleiakkumulators beträgt etwa 2,0 V; eine Starterbatterie aus sechs Zellen hat daher eine Spannung von etwa 12 V.

Die Zellspannung eines Lithium-Eisenphosphat-Akkumulators liegt bei 3,3 V, die anderer Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind zumeist noch höher. Da diese Werte weit oberhalb der Zersetzungsspannung von Wasser liegen (1,23 V wie oben angegeben), müssen solche Akkumulatoren nichtwässrige Elektrolyte nutzen.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Gerd Wedler: Lehrbuch der Physikalischen Chemie. 5. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2004, ISBN 3-527-31066-5, 1.6.1 Grundbegriffe der Elektrochemie, S. 195.
  2. Dieter Ziessow, Marco Sielaff: Elektrolyse II – Elektrodeneigenschaften – Zersetzungsspannung. In: ChemgaPedia > Physikalische Chemie > Elektrochemie. Wiley Information Services GmbH, abgerufen am 8. April 2019.
  3. elektromotorische Kraft. In: spektrum.de > Lexika > Lexikon der Physik. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, abgerufen am 8. April 2019.
  4. Gerd Wedler: Lehrbuch der Physikalischen Chemie. 5. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2004, ISBN 3-527-31066-5, 2.8.1 Die Thermodynamik und die reversible Zellspannung, S. 449.
wikipedia, wiki, deutsches, deutschland, buch, bücher, bibliothek artikel lesen, herunterladen kostenlos kostenloser herunterladen, MP3, Video, MP4, 3GP, JPG, JPEG, GIF, PNG, Bild, Musik, Lied, Film, Buch, Spiel, Spiele
Veröffentlichungsdatum:
Die Zellspannung ist die elektrische Spannung einer einzelnen elektrochemischen Zelle d h eines galvanischen Elements einschliesslich der umgangssprachlich als Batterien bezeichneten Primarzellen der Akkumulatoren und Brennstoffzellen oder einer Elektrolysezelle Fliesst kein elektrischer Strom durch die Zelle so nennt man die Spannung an der Zelle die Ruhespannung Klemmenspannung im stromlosen Zustand 1 auch Leerlaufspannung genannt Bei einer Batterie beispielsweise tritt die Ruhespannung auf solange keine elektrische Energie entnommen wird Die Betriebsspannung einer galvanischen Zelle Lastspannung der Batteriezelle ist immer kleiner als die Ruhespannung der Zelle da beim Betrieb der innere Widerstand der Zelle zu einem Spannungsverlust fuhrt Die Betriebsspannung einer Elektrolysezelle ist immer grosser als ihre Ruhespannung nicht nur wegen des inneren Widerstandes der Zelle sondern auch aufgrund von Uberspannungen In Ubereinstimmung mit dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist daher die Energie die man beim Laden eines Akkumulators oder einer reversiblen Brennstoffzelle benotigt immer grosser als die die man beim Entladen wieder entnehmen kann Die Spannung einer Batterie aus mehreren Zellen welche alle in Reihe geschaltet sind ergibt sich aus der Summe der Zellspannungen der einzelnen Elemente Inhaltsverzeichnis 1 Reversible Zellspannung 1 1 Thermodynamische Grundlagen 2 Beispiele 3 EinzelnachweiseReversible Zellspannung BearbeitenBefindet sich die Zelle im Gleichgewicht so ist die Ruhespannung gleich der reversiblen Zellspannung oder Leerlaufspannung Ein historisch bedeutsamer aber veralteter 2 3 Begriff ist elektromotorische Kraft EMK Fur die reversible Zellspannung gilt 4 D r G z F D E displaystyle mathrm quad Delta text r G z cdot F cdot Delta E nbsp mit D r G displaystyle Delta text r G nbsp Gibbs Energie Freie Enthalpie der Zellreaktion J mol z displaystyle z nbsp Zahl der bei der Reaktion ubertragenen Elektronen F displaystyle F nbsp Faradaykonstante F displaystyle F nbsp 96485 3 As mol und D E displaystyle Delta E nbsp reversible Zellspannung Ruhepotentialdifferenz zwischen den Elektroden Thermodynamische Grundlagen Bearbeiten Nach dem Energieerhaltungssatz 1 Hauptsatz der Thermodynamik kann keine Energie verschwinden oder neu entstehen Bei chemischen und elektrochemischen Reaktionen treten aber immer auch Entropieanderungen auf insbesondere auch durch einen Warmetransport uber die Systemgrenzen hinweg Es gilt bei einer konstanten Temperatur T displaystyle T nbsp der Zelle nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik bzw nach der Definition der Entropie D r S q rev T 0 displaystyle Delta text r S frac q text rev T 0 nbsp mit D r S displaystyle Delta text r S nbsp Entropieanderung der Reaktion q rev displaystyle q text rev nbsp reversible Warme der Reaktion und T displaystyle T nbsp Temperatur der Reaktion hier der Zelle Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik bzw nach der Definition der Reaktionsenthalpie D r H displaystyle Delta text r H nbsp gilt q rev w rev D r H displaystyle q text rev w text rev Delta text r H nbsp mit w rev displaystyle w text rev nbsp reversible Arbeit z B elektrische Arbeit w rev displaystyle w text rev nbsp beinhaltet keine Arbeit gegen den ausseren Druck bei Volumenanderungen Daraus folgt durch Kombination der beiden obigen Gleichungen fur die reversible Arbeit w rev D r H T D r S displaystyle w text rev Delta text r H T cdot Delta text r S nbsp Die reversible Arbeit hangt also neben der eigentlichen Reaktionsenthalpie auch direkt von der Temperatur und der Anderung der Reaktionsentropie ab Mit der Definition der Gibbs Energie D r G D r H T D r S displaystyle Delta text r G Delta text r H T cdot Delta text r S nbsp erhalt man w rev D r G displaystyle w text rev Delta text r G nbsp Berucksichtigt man dass die Ladung pro Formelumsatz z F displaystyle z cdot F nbsp ist so erhalt man die elektrische Arbeit pro Formelumsatz mit der Gleichung w rev z F D E displaystyle w text rev z cdot F cdot Delta E nbsp Aus den letzten beiden Gleichungen erhalt man die oben angegebene Gleichung D r G z F D E displaystyle Delta text r G z cdot F cdot Delta E nbsp Beispiele BearbeitenBei einer Temperatur von 25 C betragt die reversible Zellspannung sowohl der Wasserelektrolyse als auch der Wasserstoff Sauerstoff Brennstoffzelle 1 23 V Die Zellspannung eines geladenen Bleiakkumulators betragt etwa 2 0 V eine Starterbatterie aus sechs Zellen hat daher eine Spannung von etwa 12 V Die Zellspannung eines Lithium Eisenphosphat Akkumulators liegt bei 3 3 V die anderer Lithium Ionen Akkumulatoren sind zumeist noch hoher Da diese Werte weit oberhalb der Zersetzungsspannung von Wasser liegen 1 23 V wie oben angegeben mussen solche Akkumulatoren nichtwassrige Elektrolyte nutzen Einzelnachweise Bearbeiten Gerd Wedler Lehrbuch der Physikalischen Chemie 5 Auflage Wiley VCH Weinheim 2004 ISBN 3 527 31066 5 1 6 1 Grundbegriffe der Elektrochemie S 195 Dieter Ziessow Marco Sielaff Elektrolyse II Elektrodeneigenschaften Zersetzungsspannung In ChemgaPedia gt Physikalische Chemie gt Elektrochemie Wiley Information Services GmbH abgerufen am 8 April 2019 elektromotorische Kraft In spektrum de gt Lexika gt Lexikon der Physik Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH abgerufen am 8 April 2019 Gerd Wedler Lehrbuch der Physikalischen Chemie 5 Auflage Wiley VCH Weinheim 2004 ISBN 3 527 31066 5 2 8 1 Die Thermodynamik und die reversible Zellspannung S 449 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Zellspannung amp oldid 228110846