Physikalische Chemie
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Grundlagen der Physikalischen Chemie
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Physikalische Chemie Ob Elektrochemie oder Quantenmechanik, das Feld der physikalischen Chemie ist weit! Hier könnt ihr Fragen von A wie Arrhenius-Gleichung bis Z wie Zeta-Potential stellen.

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Alt 11.07.2006, 19:47   #1   Druckbare Version zeigen
Held_des_Tages Männlich
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Themenersteller
Beiträge: 68
Frage Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

Hi,
ich habe ein Problem: zu meinen Abi Themen für '07 gehört im Bereich "Elektrochemie" auch die "Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern".

Leider hat der Lehrer in unserem LK den Stoff nicht mal annähernd durchbekommen (Musste mir schon allein anschaun, wie Akkus überhaupt funzen) . Hatten halt 26 Facharbeitspräsentationen ...

Kann mir wer (evtl. aus eigenem qualifizierteren Unterricht) sagen, was ich mir darunter vorzustellen habe und was gekonnt werden sollte?

In den Schulbüchern steht da nicht wirklich was (zumindest bei mir)...

DANKE DANKE DANKE!
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Alt 11.07.2006, 19:53   #2   Druckbare Version zeigen
Joern87 Männlich
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AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

Zitat:
Zitat von Held_des_Tages
Hi,
ich habe ein Problem: zu meinen Abi Themen für '07 gehört im Bereich "Elektrochemie" auch die "Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern".

Leider hat der Lehrer in unserem LK den Stoff nicht mal annähernd durchbekommen (Musste mir schon allein anschaun, wie Akkus überhaupt funzen) . Hatten halt 26 Facharbeitspräsentationen ...

Kann mir wer (evtl. aus eigenem qualifizierteren Unterricht) sagen, was ich mir darunter vorzustellen habe und was gekonnt werden sollte?

In den Schulbüchern steht da nicht wirklich was (zumindest bei mir)...

DANKE DANKE DANKE!
Die Ladungsmenge Q=I*t, die einer Batterie in einer bestimmten Zeit t entnommen werden kann, wird als Kapazität bezeichnet und in der Einheit Ah angegeben.
Die Kapazität ist stark abhängig von der Entladungsstromstärke und der Temperatur.

Ich werde auch das Abi2007 schreiben, und unsere Lehrerin meinte, man müsse aus der Kapazität einer Batterie die Masse des limitierenden Faktors errechnen können.
__________________
mfg Jörn
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Alt 11.07.2006, 20:01   #3   Druckbare Version zeigen
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AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

Wenn ich mich recht entsinne auch die Dielektrizitätskonstante des Mediums, der Abstand und die Oberfläche der Elektroden.

Übrigens ist wird die Kapazität in Farad angegeben:
1F = 1 As/V = 1 C/V.

Eine Amperestunde ist diejenige Ladungsmenge (1 Ah = 3600 As = 3600 C), die eine Batterie innerhalb von einer Stunde bei einem konstanten Strom von 1 A bereitstellen kann (theoretisch). Die Ah ist eine technische Größe und hat mit der kapazität in diesem Falle nur am Rande zu tun, beantwortet deine Frage jedoch nicht direkt.

Mehr dazu: wikipedia

Gruß, Honk
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Alt 11.07.2006, 20:28   #4   Druckbare Version zeigen
Held_des_Tages Männlich
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Themenersteller
Beiträge: 68
AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

Ach du du heiliger, ich bekomme gerade richtig übel panik.

das einzige, was unser lehrer hinbekommen hat waren dieses semester ungefähr 10 verschiedene konzentrationen von daniell elementen (natürlich alles im versuch).

Nix mit berechnen, oh oh... das wird also noch echte arbeit.

werd gleich mal meinen dank an irgendein höheres wesen beten, dass ich wenigstens nen halbwegs gescheiten physik gk hab ^^
Held_des_Tages ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 11.07.2006, 20:31   #5   Druckbare Version zeigen
Joern87 Männlich
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Beiträge: 7.390
AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

Zitat:
Zitat von Held_des_Tages
Ach du du heiliger, ich bekomme gerade richtig übel panik.

das einzige, was unser lehrer hinbekommen hat waren dieses semester ungefähr 10 verschiedene konzentrationen von daniell elementen (natürlich alles im versuch).

Nix mit berechnen, oh oh... das wird also noch echte arbeit.

werd gleich mal meinen dank an irgendein höheres wesen beten, dass ich wenigstens nen halbwegs gescheiten physik gk hab ^^
Ohjee das klingt böse. Aber Nernst habt ihr hoffentlich behandelt?!
__________________
mfg Jörn
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Alt 11.07.2006, 20:39   #6   Druckbare Version zeigen
Held_des_Tages Männlich
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Themenersteller
Beiträge: 68
AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

hihi, ja das ist auch so ne sache..

es kamen bei uns die schulinspektoren, also zu uns genau leider nicht.. da haben wie die einzigen beiden kopien in diesem Jahr (ungelogen!) bekommen, also die gln hatten wir...

aber ich (und ich bin noch einer der besseren im lk) hab offen gestanden kaum nen plan davon, schon gar nicht, wo die 0,059 herkommen (angeblich ja aus den konstanten) und was das mit c(ox) und c(red) soll...

ich schätze mal, dass locker 50% des lk's nach dem jahr nicht mal wissen wie man anode und kathode definiert, aber was solls, als ich mein lehrer fragte kam da auch nur sowas wie "fließen da nicht die elektronen hin?"

also es ist schlimm!
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Alt 11.07.2006, 20:41   #7   Druckbare Version zeigen
Joern87 Männlich
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Beiträge: 7.390
AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

Zitat:
Zitat von Held_des_Tages
hihi, ja das ist auch so ne sache..

es kamen bei uns die schulinspektoren, also zu uns genau leider nicht.. da haben wie die einzigen beiden kopien in diesem Jahr (ungelogen!) bekommen, also die gln hatten wir...

aber ich (und ich bin noch einer der besseren im lk) hab offen gestanden kaum nen plan davon, schon gar nicht, wo die 0,059 herkommen (angeblich ja aus den konstanten) und was das mit c(ox) und c(red) soll...

ich schätze mal, dass locker 50% des lk's nach dem jahr nicht mal wissen wie man anode und kathode definiert, aber was solls, als ich mein lehrer fragte kam da auch nur sowas wie "fließen da nicht die elektronen hin?"

also es ist schlimm!
Ach du meine Fresse, das ist verdammt übel.
__________________
mfg Jörn
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Alt 11.07.2006, 23:22   #8   Druckbare Version zeigen
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AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

Also ok,

kurze Definitionsklärung auf die Schnelle:
0.059 V: Wird berechnet aus der Gaskonstanten R = 8.3145 KJ/mol, der Temperatur in Kelvin (hier immer!, wenn nicht anders gefordert: 298.15 K), der Faraday-Konstante F = 96845.33 C/mol und dem Umrechenfaktor für die Umwandlung des natürlichen in den dekadischen Logarithmus:
R*T/F * 2.3026 = 0.059 V (wird für Schulzwecke als konstant angesehen, da i. A. bei Raumtemperatur gearbeitet wird.
Die Nernst-Gleichung dient dem Berechnen eines Potentials einer Halbzelle:
E = E0 + 0.059 V/z * lg{(cox)/(cred)}.
z beschreibt hier die Anzahl der bei der Reduktion/Oxidation übertragenen Elektronen, z. B. für Cu <---> Cu2+ + 2e- ist z = 2.
Die Defintion für E0 bezieht sich auf eine einmolare Lösung gegenüber einer Wasserstoffnormalelektrode (die per Definition das Potential E0 = 0 V besitzt).
Im Gleichgewicht cox = cred wird der Logarithmus 0 (lg(1) = 0) und somit E = E0 + 0 = E0.


Es gibt eine elektrochemische Spannungsreihe, in der die "edlen" Elemente reduziert (Elektronenaufnahme) werden und die "unedlen" oxidiert (Elektronenabgabe) werden.
Dabei gilt: E0, unedel < E0, edel

Eine Batterie und ein Akku funktionieren im Grunde genau wie das Daniell-Element, nur das eben andere Substanzen mit anderen Standardpotentialen E0 und Konzentrationen eingesetzt werden (was die ablaufenden Reaktionen meist ein bisschen komplizerter macht).
Beim Akku ist der Prozess reversibel, das heißt in diesem Falle, wenn du Strom entnommen hast und dein Akku "leer" ist bedeutet das, dass die Reaktionen soweit abgelaufen sind, dass ein Gleichgewicht erreicht ist (im Daniell-Element: das Zink ist komplett in Lösung gegangen, das Kupfer ist komplett abgeschieden als Elemnt, es kann keine weitere Reaktion stattfinden.). Jetzt wird durch Aufladen der Prozess umgekehrt und durch Entladung kann der Akku ein weiteres Mal genutzt werden. In diesem zusammenhang ist der Begriff Elektrolyse elementar (im Grunde stellt das Aufladen eines Akkus eine Elektrolyse dar.). Den Akku unterscheidet nun von einer Batterie die Tatsache, dass beim Aufladen einer Batterie nicht-nutzbare Produkte erhalten werden, die teilweise sogar gefärlich werden können (ich meine mich an eine Batterie erinnern zu können, bei der Chlorgas entstehen kann, welche die Batterie beim Aufladen zur Explosion bringen können, bin mir aber nicht sicher.).

Wenn du das Thema vernünftig lernen willst:
Lies dein Chemiebuch aufmerksam durch, halte ein Physikbuch bereit.
Wichtige Begriffe:
Reduktion/Oxidation, Redox-Reaktion, Galvanisches Element, Daniell-Element, Elektrolyse, (elektrochemische) Spannungsreihe, Kathode/Anode, Halbzelle, Nernst-Gleichung, Standardpotentiale, Normalwasserstoffelektrode (NHE), elektromotorische Kraft.

Batterien/Akkus:
Schulstandards sind: Leclanche-Element (Uhrbatterie), Bleiakku (Autobatterie), in meiner Abiklausur hatte ich ein Blutzuckermessgerät, Lithium-Ionen-Akku, Brennstoffzelle.

Säge doch einmal VORSICHTIG (nix auf die Finger kriegen, ätzend und Giftig) eine normale Batterie auf, um zu sehen, wie diese aufgebaut sind (blos nicht den Bleiakku).
Auch interessant: Verzinkungen, Opferanoden an Schiffsrümpfern, das ELOXAL-Verfahren, Galvanotechnik.

Eschreck nicht vor diesen vielen Begriffen, vieles sind Anwendungen, die nur auf diesem einen Prinzip beruhen (Rosten!)

Und mach dir nicht zu viele Gedanken um dein Abi , hast ja noch fast ein Jahr Zeit. Die ganze Geschichte ist in sich eigentlich ganz schlüssig und die Schulbücher, die ich zu diesem Thema kenne sind eigentlich besser als so manches Uni-Buch...

Gute Nacht und verzweifel nicht, an der Uni wirds noch schlimmer... da rennen telweise auch Dozenten rum, bei denen man den Eindruck hat, sie könnten gar nichts und man muss sich alles selbst erarbeiten. Gehört zum Leben dazu.

Gruß, Honk

PS: Wenn du das Prinzip verstanden hast, dann erklärt sich vieles oben von selbst, keine Sorge. Ansonsten: üben, üben üben (Für Aufgaben: PN an mich, ich hab ein Übungsbuch dazu)
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Alt 11.07.2006, 23:26   #9   Druckbare Version zeigen
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AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

Kurzer Kommentar zu

Wir haben in der Schule schon sehr viel mit der Nernst-Gleichung gerechnet, und auch Wirkunsgrade von Brennstoffzellen berechnet und hergeleitet, so wenig ist das nun auch nicht. Wobei mein Lehrer auch extrem engagiert war.
Aber es ist allemal machbar, da haben Sie Recht.
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Alt 12.07.2006, 16:53   #10   Druckbare Version zeigen
Held_des_Tages Männlich
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AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

Wow, danke, echt! Da werde ich erstmal zu tun haben, aber ich habe immerhin schon mal eine Grundlage und muss nicht so aufs Blaue hinausarbeiten.

ich hätt nur noch nen par verständnisfragen:

1. Warum 298,15K? das hat ja nicht direkt was mit normbedingungen zu tun, oder?
2. das mit c(ox) und c(red) is mir nicht so ganz klar. Für Feststoffe (wie im Bespiel mit dem Kupfer die elektrode) wird doch z.b. 1 eingesetzt, oder? Andere zahlen kommen da dann nur z.b. bei eisen rein, wenn es 2 konzentrationen gibt (Eisen II / III Chlorid), is das so richtig?
3. Gleichgewicht... ich kann also auch für die Reaktionen ein MWG aufstellen immer?


Wenn ich mich traue werd ich mal wegen übungen melden, hab das gefühl das tut not...

und nochmal ein ganz großes dankeschön!

Geändert von Held_des_Tages (12.07.2006 um 17:01 Uhr)
Held_des_Tages ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 12.07.2006, 17:46   #11   Druckbare Version zeigen
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AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

In gewisser Weise kannst du auch das MWG anwenden, es handelt sich ja um Gleichgewichtsreaktionen. Führt aber teilweise in die Irre, zum Beispiel wenn du eine Batterie mit einem Akku vergleichst. Da sind die Rückreaktionen der Antladung nämlich verschieden.
298.15 K sind 25 °C. Also in etwa Raumtemperatur (im Moment zu wenig, im Winter zu viel...). Im Grunde lautet der Faktor ja auch nicht 0.059V/z sondern RT/zF, kannst du dann immer an deine Bedingungen angepasst berechnen.

Den Zusammenhangg c(ox), c(red) verstehst du von ganz alleine, wenn du dich mit dem Thema befasst (Ok, ehrlich gesagt: Ich habs auch grad nicht mehr voll auf der Kante, und bevor ich dir was Falsches erzähle lass ichs lieber. Zum nachgucken hab ich grad keine Zeit.)

Gruß, Honk

edit: Du müsstest eigentlich recht haben... Eine feste Kupfer elektrode sollte eigentlich c(red) = 1 entsprechen, bei c(red) = 0 bekäme man ja lg(unendlich).
In Lösung mit zwei Oxidationsstufen eines Metalls ist es ganz einfach:
Beim Beispiel Fe(II)/Fe(III) rechnest du lg(c(Fe(III))/c(Fe(II)), weil ja Fe(II) die elektronenreichere Spezies ist, also die reduzierte Form. Die Art des Gegenions spielt allerdings keine Rolle.
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Alt 12.07.2006, 18:38   #12   Druckbare Version zeigen
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AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

Genau so wars. Die Aktivität eines reinen Feststoffes ist 1.
Deshalb gilt für die Elektrode eben c(red) = 1 weil man ja strenggenommen die Aktivität einsetzen müsste, also a(red).

Für Ionen in Lösung reicht in der Schule die Verwendung der Konzentration, obwohl es nur eine Näherung ist.

Gruß, Honk

PS: Danke für das Auffrischen, FKS.
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Alt 12.07.2006, 18:44   #13   Druckbare Version zeigen
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AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

Schon, aber nicht in der Schule.
Da arbeitet man ja für gewöhnlich bei Raumtemperatur, also schwanken die Potentiale ja nicht so stark (obwohl, mal so ins Blaue geschossen, dies wahrscheinlich der Grund ist, warum Batterien häufig durch Erwärmen in den Handflächen noch ein wenig Strom liefern, auch wenn sie eigentlich leer sind).
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Alt 12.07.2006, 20:23   #14   Druckbare Version zeigen
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AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

Mein Lehrer hat die Freie Reaktionsenthalpie mit keinem Wort erwähnt (zumindest nicht in diesem Zusammenhang, wir haben an anderer Stelle kurz die Gibbs-Helmholtz-Gleichung in der Form: dG = dH - TdS gehabt, dazu den Hinweis: exergonisch dG < 0, endergonisch dG > 0, Gleichgewicht: dG = 0)
Was Sie schreiben ist richtig, nur kein Schulstoff.
Die Nernst-Gleichung wurde in der Schule nicht hergeleitet, sondern eher als "Naturgesetz" eingeführt.
Ich habe auch nie behauptet, dass die Freie Reaktionsenthalpie Temperaturunabhängig ist, nur diese oben gegebene Gleichung ist Studiumsbestandteil (und da wurde es gelehrt).
Was wir hergeleitet haben, war der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle, in dem Zusammenhang wurde natürlich auch der Innere Widerstand erwähnt(natürlich auch in der Physik im Studium).
Aber ehrlich gesagt habe ich mich seit 4 Jahren nicht mehr mit Brennstoffzellen befasst und meine Schulunterlagen auch nicht zur Hand. War ja oben auch nur als Beispiel gedacht.

Gruß, Honk

PS: Eingen wir uns an dieser Stelle auf ein durch eine Formulierungsschwäche hervorgerufenes Missverständnis?
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Alt 13.07.2006, 17:01   #15   Druckbare Version zeigen
Held_des_Tages Männlich
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AW: Kapazität von elektrochemischen Energiespeichern

danke leute, langsam verstehe ich die sache.

vielleicht ist es für den lk-stoff unwichtig, aber aus reiner neugierde: welches detail wird bei "a = c L/mol" vernachlässigt?

muss ich den wirkgunsgrad können?

Gruß, HdT
Held_des_Tages ist offline   Mit Zitat antworten
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