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Flashcards in Gleichgewichtszustand Deck (13):
1

Beschreiben Sie den Zusammenhang des 1. Faraday’schen Gesetzes.

Q = z*n*F
Das Faraday´sche Gesetz sagt, dass die durch eine bestimmte Ladungsmenge abgeschiedene Masse verschiedener Stoffe deren molare Masse eines Äquivalents entspricht.
Die Ladung Q entspricht der Anzahl der ausgetauschten Elektronen n multipliziert mit der Stoffmenge z (mol) und der Faraday-Konstante F (Ladung eines mols Elektronen in C/mol).

2

Definieren Sie den Begriff der Gleichgewichtsspannung und der thermoneutralen Spannung.

Thermoneutrale Spannung (U_th): die thermoneutrale Spannung würde sich einstellen, wenn die gesamte Reaktionsenthalpie dH in elektrischer Arbeit umgesetzt werden könnte. Liegt an den Klemmen die thermoneutrale Spannung an, so wird weder Wärme an die Umgebung abgegeben noch von ihr aufgenommen. U_th = - dH / (n*F)
Gleichgewichtsspannung (U_0) ist die Spannung, die sich im stromlosen Zustand (Gleichgewichtszustand) einstellt. Hier entspricht die Freie Reaktionsenthalpie dG der elektrischen Energie. U_0 = - dG / (n*F)

3

Definieren Sie den Begriff der Polarisation.

Polarisation (auch Überspannung ny genannt) ist die Abweichung vom Gleichgewichtspotentials/-spannung unter Stromfluss.

4

Definieren Sie den Begriff der Enthalpie und der Freien Enthalpie.

Enthalpie (H) ist der gespeicherte Energieinhalt in chemischen Verbindungen.
Freie Enthalpie (G) ist die maximale chemische Energiemenge, die in elektrische Energie umgewandelt werden kann (auch Gibbs freie Enthalpie genannt).
Entropie beschreibt den Wärmeeffekt.

5

Definieren Sie den Begriff der reversiblen Wärme. Wodurch zeigt sich die Reversibilität?

Die reversible Wärme wird durch dS (Änderung der Entropie) charakterisiert. Das ist der unvermeidlich mit der chemischen oder elektrochemischen Reaktion verbundene Wärmeaustausch.
Die Reversibilität zeigt sich darin, dass die Wärme, welche bei der Hinreaktion (z.B. Entladen) der Umgebung entnommen bzw. zugeführt wird, bei der Rückreaktion (z.B. Laden) der Umgebung wieder zugeführt bzw. entnommen wird.
Ist Q_rev > 0 : Abkühlung des Systems und somit der Umgebung während der Reaktion.
Ist Q_rev < 0 : Erwärmung des Systems und somit der Umgebung während der Reaktion.

6

Wie verhält sich im Allgemeinen die Leitfähigkeit von Elektrolyten in Abhängigkeit der Temperatur in einem typischen Temperaturfenster zwischen -20 °C und 50 °C?

Die Leitfähigkeit von Elektrolyten nimmt in der Regel mit zunehmender Temperatur stark zu. (sehr starke Temperaturabhängigkeit)

7

Wie verhält sich die Leitfähigkeit von metallischen Stromableitern in Abhängigkeit der Temperatur?

Die Leitfähigkeit von metallischen Stromableitern nimmt bei steigender Temperatur ab.

8

Weshalb werden Brennstoffzellen mit einem erhöhten Druck betrieben? Wird dieser Effekt auch bei Batterien ausgenutzt? Begründen Sie Ihre Antwort.

Bei Brennstoffzellen sind gasförmige Stoffe H2 und O2 an der Gleichgewichtsreaktion beteiligt. Daher ist die Aktivität der im Elektrolyten gelösten Gase maßgeblich; diese ist dem Druck in der Gasphase proportional. Das bedeutet, dass bei gasförmigen Stoffen die Gleichgewichtsspannung durch den Druck eingestellt werden kann. Daher ergibt sich bei Brennstoffzellen eine höhere Zellspannung (negativere Spannung an H2-Elektrode und positivere Spannung an O2-Elektrode).
Da bei Batterien keine gasförmigen sondern nur flüssige Stoffe an der Gleichgewichtsreaktion beteiligt sind, ergibt sich keine Beeinflussung durch Druckänderung (Volumen und Konzentration von fl. Stoffen ändert sich dadurch nicht). Bei Batterien ist die Gleichgewichtsspannung somit nicht druck-abhängig.

9

Nennen und beschreiben Sie die drei im Elektrolyten einer Batterie auftretenden Transportmechanismen der Ladungsträger.

1. Diffusion: Ionen bewegen sich von höherem zu niedrigeren chemischen Potential.
2. Migration: Ionen (elektrisch geladen) bewegen sich im elektischen Feld zwischen den Phasen des dynamischen Gleichgewichts. Entgegengesetzt zur Diffusionsrichtung.
3. Konvektion: Ionen werden durch Strömungen im Elektrolyt mitgeführt. Strömungen können z.B. durch Temperaturunterschiede enstehen oder durch unterschiedliche Elektrolytdichten (natürliche Konvektion). Erzwungene Konvektion entsteht z.B. duch Pumpen und schwingende oder rotierende Elektrode (hat aber für Batterien keine Bedeutung)

10

Wie lässt sich die Anzahl der ausgetauschten Elektronen (n) bestimmen?

Die Anzahl der ausgetauschten Elektronen lässt sich aus der Reaktionsgleichung bestimmen, in- dem man die Oxidationsstufen der an der Reaktion beteiligten Metalle vergleicht. Elemente, die in reiner metallischer Form vorliegen (hier: Pb) besitzen die Oxidationsstufe 0. Bei allen anderen Verbindungen entspricht die Ladung der Gesamtverbindung (hier: überall 0) der Summe der Oxidationsstufen der einzelnen Elemente.

11

Standardbedingungen vs. Normalbedingungen?

Standardbedingungen (𝑇 = 25 °C = 298 K und 𝑝 = 1013,25 mbar); Vm = 24,46 l/mol
Normalbedingungen (𝑇 = 0 °C = 273 K und 𝑝 = 1013,25 mbar); Vm = 22,41 l/mol

12

Nennen Sie drei Gründe, weshalb die nutzbare spezifische Energie von der theoretischen spezifischen Energie abweicht.

Es wird zusätzlich Aktivmasse eingesetzt, weil die Aktivmasseausnutzung begrenzt ist und um höhere Lebensdauern zu erzielen. Die Elektroden sind porös und ein Elektrolytüberschuss ist notwendig. Additive in den Elektroden und im Elektrolyten sollen die Performance und die Lebensdauer der Batterie verbessern und erhöhen. Der Separator, die Stromableiter, das Zellgehäuse und Zellkomponenten erhöhen zusätzlich die Masse.

13

Um die Reaktion zu erzwingen, muss eine Spannung oberhalb der Gleichgewichtsspannung angelegt werden. Bei welcher Spannung wird sich das System weder erwärmen noch abkühlen?

Bei der Thermoneutralen Spannung Uth.
Uth = - ∆H / n*F