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Experiment: Elektrolyse – Wie Zinkbäume wachsen

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Experiment: So wachsen Zinkbäume!

Was sind Zinkbäume? Pflanzen, die ganz aus Metall sind? Und wie können sie wachsen?

Mit Hilfe von elektrischem Strom! Wenn ihr eine Sicherheitsnadel verkupfert, könnt ihr beobachten, wie Metallatome in Form von Ionen durch Flüssigkeit von einem Metallstück zun nächsten wandern. Indem ihr statt einer Flüssigkeit festes Gemüse verwendet, könnt ihr diesen Umstand nutzen, um eine Kartoffelbatterie zu bauen. Aber wenn ihr schon eine gute Batterie oder ein Netzteil habt, könnt ihr das auch verwenden, um den Ionen vorzuschreiben, in welche Richtung sie wandern sollen. Zum Beispiel, um faszinierende Metallbäumchen wachsen zu lassen!

Ich habe dieses Experiment schon vor Jahren zu Hause gemacht, es aber bislang nicht verbloggt, weil die dabei verwendeten Stoffe nicht ganz ungefährlich sind. Unter anderem kann dabei Chlorgas entstehen. Lest deshalb die Beschreibung sehr gut durch – denn Sicherheitsmassnahmen und besonderer Aufwand bei der Entsorgung sind nötig! Wenn ihr alle Hinweise beherzigt, könnt ihr aber auch mit dem Chlor sicher umgehen.

Ihr braucht dazu

  • Zwei grosse Stahlnägel
  • Einen Weinkorken
  • Klebefilm
  • Einen kleinen, flachen Behälter (z.B. Tupperdose für Streichwurst)
  • Gleichstromquelle: Eisenbahntrafo, Netzteil, 9V-Batterie oder Batterieblock (Spannung sollte mindestens 3V betragen!)
  • Kabel oder Litze zum Verdrahten
  • Krokodilklemmen oder Löt-Ausrüstung
  • Zinkchlorid (ZnCl2)GHS-Symbole: Ätzend, Achtung, Umweltschädlich oder Zinkiodid (ZnI2)GHS-Symbole: Ätzend, Umweltschädlich
  • Destilliertes bzw. destillatgleiches Wasser (letzteres gibt es im Supermarkt)
  • Ggfs. Werkzeug und robuste Arbeitsplatte, um die Nägel zu knicken
  • Natriumthiosulfat (oder ähnliches Reduktionsmittel) für die Entsorgung
Das braucht ihr, um Zinkbäume wachsen zu lassen: Zinkchlorid, Wasser, Stromquelle, Eisennägel mit Kabel, Behälter, Korken, Klebefilm

Zinkchlorid oder Zinkiodid?

Bei der Elektrolyse von Zinkchlorid entsteht gasförmiges Chlor (Cl2), das aggressiv reagiert (es ist ein starkes Oxidationsmittel) und giftig ist. Sorgt deshalb beim Experimentieren für eine gute Belüftung: Wenn ihr ein Labor habt, arbeitet im Abzug, sonst am besten im Freien! Chlor löst sich weniger gut in Wasser und hat eine blassgrünliche Farbe. So nimmt es euch nicht die Sicht auf den Nagel, an dem die Zinkbäume wachsen.

Bei der Elektrolyse von Zinkiodid entsteht Iod (I2), das ein Feststoff ist. So besteht praktisch keine Gefahr, dass ihr etwas davon einatmet. Dafür ist Iod in Wasser gelblich bis kräftig braun, sodass es im schlimmsten Fall die Sicht auf die Zinkbäume am Nagel nebenan nehmen kann.

Somit haben beide Stoffe ihre Vor- und Nachteile. Ich überlasse es euch zu entscheiden, welchen ihr verwendet. Ich selbst habe mich, obwohl ich zu Hause keinen Laborabzug habe, für Zinkchlorid entschieden und das Experiment auf dem Balkon aufgebaut. So hatte ich sicher freie Sicht für alle Aufnahmen.

Verwendet von beiden möglichen Chemikalien so wenig wie möglich, denn so entsteht einerseits möglichst wenig giftiges Chlor, andererseits müsst ihr umso weniger entsorgen, je weniger Chemikalien ihr einsetzt!

So geht’s

  • Bearbeitet beide Nägel so, dass sie nach etwa einem Drittel ihrer Länge einen Knick von ca. 120° machen.
  • Verbindet die abgeknickten Köpfe der Nägel mit Kabeln, die ihr später an eure Stromquelle anschliessen könnt. Entfernt dazu die Isolierhülle der Litze und lötet je ein Kabelende an einem Nagel fest oder, wenn ihr Experimentierkabel mit Krokodilklemmen verwendet, klemmt jedes davon an Kopf eines Nagels.
  • Schneidet den Weinkorken längst in zwei Hälften. Klebt die Nägel so auf die Wölbung einer Korkenhälfte, dass sie sich nicht berühren! Die abgeknickten Köpfe mit den Lötverbindungen bzw. Klemmen sollen dabei nach oben ragen. Legt die Korkenhälfte mitsamt der Nägel in den kleinen Behälter und klebt ihn mit dem Klebefilm am Boden fest (der Korken soll nicht wegschwimmen!).
  • Löst rund 13,5g Zinkchlorid oder 31,9g Zinkiodid in 100 Milliliter destilliertem Wasser auf. So erhaltet ihr eine Lösung mit einer Konzentration von rund 1 mol/l (Mehr zu Stöchiometrie hier).
  • Gebt eben so viel von dieser Lösung in den Behälter mit den Nägeln, dass die flach liegenden Teile der Nägel vollständig bedeckt sind. Die abgeknickten Enden mit den Kontakten sollen jedoch ausserhalb der Lösung und trocken bleiben!
  • Verbindet einen Nagel mit dem Plus-, den anderen mit dem Minuspol eurer Stromquelle.
  • Wenn alles bereit ist, schaltet den Strom ein und dreht ihn ggfs. (wenn ihr einen Trafo mit Drehschalter benutzt) langsam auf.
  • Schaltet den Strom unbedingt wieder ab, wenn eure Zinkbäume gross genug sind!

Zinkbäume: Das könnt ihr beobachten

Wenn eine ausreichend hohe Spannung anliegt, bildet sich auf dem Nagel am Pluspol ein mattgrauer Überzug, aus dem bald feine metallische Verästelungen in Richtung des anderen Nagels herauswachsen: Auf dem Nagel wachsen kleine Zinkbäume!

Blick von oben in das Versuchsgefäss nach 20 Minuten Laufzeit: Am rechten Nagel wachsen Zinkbäume in Richtung des linken Nagels. Gelöstes Chlor lässt die Flüssigkeit ein wenig grün erscheinen.
Mein Versuchsgefäss nach 20 Minuten Laufzeit: Die Zinkbäume am rechten Nagel wachsen entlang des elektrischen Feldes (das die Bewegungsrichtung der Ionen vorgibt) zwischen den Nägeln. Gelöstes Chlor lässt die Flüssigkeit etwas grünlich erscheinen.

Wenn ihr eine Zinkchlorid-Lösung verwendet, bilden sich am anderen Nagel kleine Gasblasen und ihr könnt bald einen stechenden Geruch wahrnehmen. Möglicherweise könnt ihr auch erkennen, dass das Gas eine grünliche Farbe hat.

Achtung! Atmet das Gas nicht ein! Es handelt sich um giftiges Chlor (Cl2)! Deshalb sollt ihr dieses Experiment unbedingt im Freien oder in einem Labor im laufenden Abzug („Kapelle“) machen. Lasst das Experiment nicht unnötig lange und nicht unbeaufsichtigt laufen, ganz besonders, wenn ihr im Freien experimentiert!

Wenn ihr eine Zinkiodid-Lösung verwendet, entsteht kein Gas. Dafür färbt sich die Flüssigkeit um den zweiten Nagel mit der Zeit bräunlich. Das elementare Iod (I2) ist bei Raumtemperatur nämlich ein Feststoff, der sich in einer Lösung mit Iodid-Ionen lösen kann oder sich in kleinen, festen Partikeln absetzt. Auch Iod ist gesundheitsschädlich, lässt sich aber wesentlich leichter im Zaum halten als das gasförmige Chlor.


Was passiert da?

Eine Batterie oder andere Gleichstromquelle hat zwei Pole mit unterschiedlich grossen Elektronenvorräten. Am Minuspol gibt einen grossen Überschuss an negativ geladenen Elektronen, während am Pluspol gemessen an den sonstigen Atombestandteilen sehr wenig Elektronen vorhanden sind. Verbindet man den Minuspol der Batterie über eine elektrisch leitendes Kabel mit dem Pluspol, fliessen die überschüssigen Elektronen vom Minuspol schnell zum Pluspol, bis an beiden Polen gleich viele Elektronen sind. Elektronen, die durch ein leitendes Material fliessen, sind somit „Stromteilchen“.

Aber auch andere geladene, bewegliche Teilchen können zu Stromteilchen werden. So zum Beispiel Ionen in einer Lösung. Die beiden Nägel in diesem Versuch sind nichts anderes als Verlängerungen der beiden Pole eurer Stromquelle. Sobald die Quelle eingeschaltet ist, drängen die Elektronen vom Minuspol in den daran angeschlossenen Nagel, während Elektronen aus dem anderen Nagel zum Pluspol hin abfliessen. So ist der Minuspol-Nagel nun seinerseits negativ und sein Gegenüber positiv geladen.

Wie Zinkbäumchen wachsen können

Als ihr das Zinkchlorid (bzw. -iodid) im Wasser aufgelöst habt, sind die festen Kristalle zu einzelnen Ionen zerfallen:

Da gegensätzliche Ladungen sich anziehen, wandern die Zn2+-Ionen zum bei eingeschalteter Stromquelle negativ geladenen Nagel. Wenn sie dort ankommen, nimmt jedes Zink-Ion zwei Elektronen aus der wartenden Menge auf. So entsteht ein ungeladenes Zink-Atom:

Und viele Zink-Atome, die sich übereinander stapeln, bilden das Metall Zink. So bekommt der negativ geladene Stahlnagel mit der Zeit einen Überzug aus Zinkmetall. Zum Glück leitet auch das Zinkmetall elektrischen Strom, sodass aus der Stromquelle nachfolgende Elektronen einfach hindurchdringen und weitere Zink-Ionen ergänzen (Chemiker sagen „reduzieren“) können.

Wenn das an allen Stellen der (verzinkten) Nageloberfläche gleichmässig geschähe, würde die Zinkschicht einfach immer dicker. Tatsächlich läuft der Prozess aber keineswegs so gleichmässig ab. Vielmehr bilden einzelne Zinkatome, die sich auf der vormals glatten Stahlfläche ablagern, eine raue Oberfläche voller Vorsprünge und „Noppen“. Für die nachfolgenden Zink-Ionen ist der Weg zu diesen vorspringenden Atomen bzw. Atomgruppen kürzer als der bis ganz zur Stahloberfläche. So lagern sich sich aussen auf diesen „Noppen“ ab, bevor sie den eigentlichen Nagel erreichen: Die betreffenden „Noppen“ wachsen weiter und werden zu Ästen, von denen ausgehend bald weitere Ästchen wachsen. Mit der Zeit entstehen ganze filigrane „Bäumchen“ aus Zinkmetall.

Und woher kommt das Chlor (bzw. Iod)?

Während die Zink-Ionen zum negativ geladenen Nagel wandern, wandern die Chlorid-Ionen (Cl–) zum positiv geladenen Nagel. Dort gibt jedes Cl–-Ion ein Elektron an den Nagel ab, um den Mangel darin auszugleichen. So entsteht ein ungeladenes Chlor-Atom. Da aber nicht gern allein sind, tun sie sich zu Paaren zusammen, die durch eine Atombindung zusammengehalten werden:

Mit Iodid-Ionen (I–) verhält es sich ganz genauso:

Der entscheidende Unterschied ist, dass Chlormoleküle (Cl2) bei uns angenehmer Temperatur ein Gas bilden, Iodmoleküle (I2) aber einen Feststoff (oder sie lagern sich an weitere Iodid-Ionen an und bleiben als „I3–“ im Wasser gelöst).

Schematische Darstellung der Elektrolysezelle: So entstehen Zinkbäume
Was im Versuchsgefäss passiert (hier mit Zinkiodid: Positiv geladene Zink-Ionen (d.h. Kationen) wandern zum negativ geladenen Nagel (deshalb Kathode genannt) und nehmen je 2 Elektronen auf. Die entstehenden Zinkatome bilden die Zinkbäume. Negativ geladene Iodid-Ionen (d.h. Anionen) wandern zum positiv geladenen Nagel (deshalb Anode genannt) und geben je ein Elektron ab, ehe sie Iodmoleküle bilden. Ein Voltmeter kann die Spannung, die die Stromquelle liefert, anzeigen, ein Amperemeter die Stärke des fliessenden Stroms. (nach: Niko Lang, CC BY-SA 2.5, via Wikimedia Commons)

Wieviel Spannung muss die Stromquelle hergeben, damit die Zinkbäume wachsen?

Wenn ihr ein Netzteil mit Dreh- oder Schieberegler (z.B. einen Eisenbahntrafo) verwendet und diesen langsam aufdreht, werdet ihr feststellen, dass an euren Nägeln bei ganz langsamer „Fahrt“ nichts passiert. Es braucht also eine gewisse elektrische Spannung – also eine gewisse Grösse des Unterschiedes zwischen den Elektronenvorräten – damit die oben genannten Reaktionen wirklich ablaufen. Wie kommt das?

In dem Moment, da die ersten Zink-Ionen zu Zink-Atomen werden, stehen Zink-Ionen und Zinkmetall in direktem Kontakt. Das ist die gleiche Situation, wie ihr sie z.B. von Kartoffelbatterien kennt. Auch am anderen Nagel gibt es solch eine Gegenüberstellung. Mit anderen Worten: Mit dem Beginn des Experiments werden beide Nägel zu den Polen einer Batterie! Und die will ihren Strom in genau der entgegengesetzten Richtung liefern wie eure eigentliche Stromquelle.

Eure Stromquelle muss also gegen die „Nagelbatterie“ in eurem Versuchsgefäss anarbeiten. Damit der Strom in die Richtung fliesst, in die ihr ihn haben wollt, muss die Stromquelle also mehr Spannung liefern als die „Nagelbatterie“. Wieviel mehr, das haben fleissige Forscher unlängst ausgemessen:

Wenn ihr eure Zinkbäumchen aus Zinkchlorid züchten möchtet, benötigt ihr mindestens 2,3 Volt, wenn ihr stattdessen lieber mit Zinkiodid arbeitet, sollten schon 1,3 Volt genügen. Zumindest in der Theorie. Tatsächlich hängt diese sogenannte „Zersetzungsspannung“ auch von eurem Versuchsaufbau ab. Schlecht gelötete Kontakte, lange Leitungen und ähnliches können dazu führen, dass ihr etwas mehr als die Zersetzungsspannung braucht. Mein Eisenbahn-Trafo liefert jedoch bis zu etwa 15 Volt, ein Batterieblock mit vier AA-Batterien 6 Volt und eine 9 Volt-Batterie was draufsteht. So habt ihr mit solchen Stromquellen in jedem Fall genügend Spannung zur Verfügung.


Entsorgung

Wenn ihr unbenutzte Zinksalz-Lösung übrig habt, könnt ihr sie in einem dicht verschlossenen Behälter aufbewahren und für spätere Versuche benutzen. Die Zinkbäumchen sind leider sehr zerbrechlich und lassen sich kaum im Ganzen aufheben. Sie bestehen aber aus reinem Zinkmetall, dass ihr ebenfalls sammeln und für andere Versuche nutzen könnt.

Gebt etwas Natriumthiosulfat (ein kristalliner Feststoff) in die Versuchslösung, nachdem ihr die Nägel herausgenommen habt. Dieser Stoff reduziert allenfalls noch vorhandenes Chlor bzw. Iod wieder zu Chlorid- bzw. Iodid-Ionen. Damit sind die gefährlichsten Abfälle bereits beseitigt.

Reste der gebrauchten (und reduzierten) und der ungebrauchten Lösung dürfen dennoch nicht in den Abfluss! Sie sind giftig für Wasserorganismen! Entsorgt beide an einer Sondermüll-Sammelstelle (wenn ihr ein Schullabor mit Entsorgungssystem habt: In den Behälter für anorganische Salze und Schwermetalle).

Und habt ihr schon einmal Zink- oder andere Metallbäume gezüchtet? Welche Erfahrungen habt ihr gemacht?

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Experiment: Sicherheitsnadel galvanisieren

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Experiment: Sicherheitsnadel galvanisieren

Wie beschichtet man ein Metall mit einem anderen? Durch Galvanisieren!

Nicht alles, was glänzt ist Gold! Oder Kupfer, oder… Die Oberflächen vieler Gegenstände sind nur mit einer dünnen Schicht dieser wertvollen Metalle überzogen. Solche Dinge nennt man dann vergoldet, verkupfert, versilbert oder ähnlich. Doch das bedeutet nicht, dass solche Gegenstände minderwertig sind. Vielmehr wird ihre Haltbarkeit durch ihre besonder Metalloberfläche verbessert – und sieht auch noch hübsch aus. Denn eine Edelmetall-Schicht ist reaktionsträge und schützt den Gegenstand unter ihr vor den Kräften von Wind und Wetter. Aber wie bringt man eine dünne Metallschicht auf ein anderes Material?

Dazu wird Wanderlust geladener Metallteilchen (sogenannter Metall-Ionen) ausgenutzt – und das könnt ihr leicht selber machen!

Ihr braucht dazu

  • Eine Sicherheitsnadel
  • Eine Kupfermünze (z.B. 1,2 oder 5 Eurocent)
  • Eine Kleine Schale
  • Haushaltsessig
  • Soda oder Natron (für die Entsorgung)

Sehr dreckige Münzen könnt ihr mit Essig und etwas Kochsalz leicht reinigen – wie genau das geht, zeige ich euch hier.

Essig, Schale, Kupfermünze, Sicherheitsnadel: Das braucht ihr zum Galvanisieren
Da man nicht mit Behältern für Lebensmittel experimentiert: Der Deckel eines leeren Honigglases (das ich nur noch für Versuche, nicht für Lebensmittel verwende!) hat mir als Schale gedient.

So geht’s

Lest in jedem Fall den Abschnitt „Entsorgung“ durch, bevor ihr mit dem Experimentieren beginnt! Nach dem Versuch ist nämlich ein besonderer Entsorgungsschritt nötig. Den könnt ihr euch wesentlich leichter machen, wenn ihr von vorneherein sparsam arbeitet.

  • Legt Münze und Nadel nebeneinander in die Schale, sodass sie sich nicht berühren!
  • Gebt so viel Essig dazu, dass beide Teile vollständig bedeckt sind. Verwendet dabei so wenig Essig wie möglich – denn je weniger Essig ihr später entsorgen müsst, desto weniger Soda oder Natron werdet ihr dafür brauchen!
Münze und Sicherheitsnadel in Essig im Deckel des Honigglases: Das Galvanisieren kann beginnen!
Zu Beginn des Experiments: Kupfermünze und silbrig glänzende Sicherheitsnadel liegen im Essig ohne sich zu berühren.
  • Wartet ein paar Tage und schaut ab und zu nach, was sich verändert.
  • Wenn euch der Essiggeruch stört, könnt ihr die Schale einfach abdecken (mit einem Brett, einem Buch oder Ähnlichem)

Das könnt ihr beobachten

Die Nadel färbt sich mit der Zeit kupferrot, während die Münze zunehmend matt wird. Der Essig färbt sich zudem gelbgrün.

Nach einer Woche im Essig: Die vormals stahlglänzende Sicherheitsnadel ist nun ebenso kupferrot wie die Münze!
Nach einer Woche im Essig hat die Oberfläche der Sicherheitsnadel die gleiche Farbe wie die Münze: Kupfer hat sich darauf abgelagert!

Das passiert

Haushaltsessig besteht aus Wasser und Essigsäure. Kommt ein Metall wie Kupfer mit einer Säure in Berührung, geben stets ein paar Metallatome an der Oberfläche ein oder mehrere Elektron(en) ab. Dabei verlassen die Atome – welche zu Ionen werden – die Metalloberfläche und lösen sich im Wasser.

Das „(aq)“ in der Gleichung bedeutet „in Wasser gelöst“.

Da Kupfer ein ziemlich edles Metall ist, können zunächst nur sehr wenige seiner Atome auf diese Weise zu Ionen werden. Diese wenigen Ionen können sich jedoch frei im Wasser bewegen – und so irgendwann an die Oberfläche der Sicherheitsnadel, die aus Stahl bestehen mag, gelangen.

Stahl wiederum enthält Eisenatome. Und Eisenatome geben sehr viel leichter Elektronen ab als Kupferatome.

So kommt es, dass die Eisenatome ihre Elektronen liebend gern an Kupferionen abgeben.

Die Eisenatome werden dabei zu Ionen, die sich im Wasser lösen, während die Kupferionen wieder zu Kupfer-Atomen werden, die sich an der Eisenoberfläche niederlassen.

Sobald auf diese Weise Kupfer-Ionen aus der Lösung verschwinden, bleibt darin „Platz“ für neue Kupfer-Ionen. Die können sich somit von der Münze lösen und ihre Wanderung in Richtung Sicherheitsnadel antreten. (Alle beteiligten Reaktionen sind sogenannte Gleichgewichtsreaktionen. Le Châtelier erklärt hier am Flughafen, was es damit auf sich hat und wie die Richtung, in der sie ablaufen, von den Mengen der beteiligten Teilchen abhängt!)

Geladene Teilchen, die wandern, sind „Strom“

Geladene Teilchen, die wandern? Ja, ihr denkt richtig: Das ist nichts anderes als elektrischer Strom! Der Versuchsaufbau ist eine Art simple Batterie. Die Ionen wanderen darin so lange von der Münze zur Nadel, bis die ganze Nadeloberfläche mit Kupferatomen bedeckt ist. Dann gibt es dort nämlich keine Eisenatome mehr, die ihre Elektronen an weitere Kupferionen abgeben könnten. Die Batterie ist „leer“.

Galvanisieren im „richtigen Leben“

Wer Gegenstände mit einer edlen Metallschicht verkaufen möchte, mag in der Regel nicht tagelang warten, bis das Galvanisieren weit genug vorangeschritten ist. Deshalb benutzt er zum Einen statt Essig eine Lösung, die bereits reichlich Kupfer-Ionen (oder andere gewünschte Metall-Ionen) enthält. Zum Anderen schliesst er seine Anlage an elektrischen Strom an: Das Kupfermetall an den (physikalischen) Pluspol, das Material, das verkupfert werden soll, an den Minuspol.

Die angeschlossene Stromquelle liefert zusätzliche Elektronen in das zu verkupfernde Material, die die Kupferionen entgegen nehmen können. Zudem ermöglicht die Stromquelle den vom Kupfer abgegebenen Elektronen das Abfliessen, sodass auch leicht neue Kupfer-Ionen in Lösung gehen können.

Und zu guter Letzt leitet Kupfer selbst den Strom sehr gut. Das heisst, die zusätzlichen Elektronen gelangen auch leicht durch die neu entstehende Kupferschicht, sodass diese so lange dicker wird, wie die Stromquelle angeschlossen ist.


Vom Galvanisieren zur nutzbaren Batterie

Wenn ihr euch die oben beschriebenen Reaktionen genau anschaut, werdet ihr feststellen, dass dabei in der Kupfermünze Elektronen „übrig“ bleiben, in der Eisennadel aber nicht. Im Kupfer sammeln sich demnach mehr Elektronen als im Eisen. Verbindet man aber mit einem leitfähigen Material eine Elektronenansammlung mit einem Ort mit wenig Elektronen, so fliessen Elektronen von der Ansammlung zum „leeren“ Ort ab. Und fliessende geladene Teilchen kennen wir als elektrischen Strom!

Unser Aufbau mit Münze und Sicherheitsnadel, die lose in Essig liegen, ist als Batterie aber ziemlich unpraktisch. Denn auch der Essig ist elektrisch leitfähig und bildet, sobald Münze und Nadel vollständig eingetaucht sind, eine unumgängliche Abkürzung für den Strom.

Die könnt ihr vermeiden, indem ihr eure Metalle nicht in einer Flüssigkeit, sondern in einem festen Material, in dem auch Ionen wandern können, unterbringt. Zum Beispiel in einer Kartoffel. Wie ihr aus Kartoffeln wirklich funktionierende Batterien bauen könnt, zeige ich euch hier!

Entsorgung

Der Essig enthält nach dem Galvanisieren Kupferionen (sie geben der Flüssigkeit die grünliche Farbe), die giftig für Wasserorganismen sind und deshalb nicht ins Abwasser dürfen. Verwendet deshalb so wenig Essig wie möglich. Gebt nach dem Versuch, wenn ihr Nadel und Münze aus der Schale genommen habt, feste Soda oder Natron zu dem Essig darin. (Achtung! Geht langsam vor und rührt zwischendurch um! Die Mischung schäumt kräftig und wird warm: Allein das ist schon ein chemisches Spektakel, das schnell zur Sauerei ausarten kann!)

Mischt so lange Soda oder Natron mit dem Essigrest, bis keine Reaktion mehr sichtbar ist. Dann habt ihr die Säure neutralisiert. Mit noch ein wenig mehr Soda oder Natron wird die Lösung basisch: Das ist euer Ziel. Die Kupferionen bilden nämlich bei basischem pH-Wert ein Gemisch fester Stoffe (in eurer Schale vor allem Kupferacetat, Kupfercarbonat und Kupferhydroxid), das man Grünspan nennt.

Gebt das Gemisch aus festen Stoffen und Flüssigkeit durch ein Filterpapier (z.B. einen Kaffeefilter) und lasst das Papier mitsamt den Feststoffen trocknen, bevor ihr es in den Hausmüll gebt. Die filtrierte Lösung darf dann mit viel Wasser in den Ausguss.

Nun wünsche ich euch viel Spass beim Galvanisieren!

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Experiment: Kartoffelbatterie und Reihenschaltung

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Experiment: Kartoffelbatterie bauen

Endlich habe ich mal wieder Zeit zum Experimentieren gefunden. Und mich dabei einem Thema gewidmet, das in Keinsteins Kiste bislang zu kurz gekommen ist: Batterien und Strom. Dazu habe ich mir erst einmal eine Stromquelle selber gebaut: Die Kartoffelbatterie!

Mit der folgenden Experimentieranleitung könnt ihr ganz einfach eure eigenen Kartoffelbatterien bauen und so zusammenschalten, dass ihr damit eine Leuchtdiode zum Leuchten bringen könnt. Alles, was ihr dazu braucht, findet ihr in der Küche, im Werkzeugkasten – und allenfalls für kleines Geld im Fachhandel für elektronische Bauteile.

Experiment: Kartoffelbatterie bauen

Ihr braucht dazu

Das braucht ihr zum Bau einer Kartoffelbatterie samt Stromkreis.
  • 4 Kartoffeln
  • 4 blanke Kupfermünzen (z.B. Eurocents) – hier erfahrt ihr, wie ihr angelaufene Kupfermünzen ganz einfach blank bekommt!
  • Zinkdraht oder 4 Unterlegscheiben aus Zink
  • blanke Büroklammern
  • Schaltlitze oder ähnlich ummantelten Kupferdraht
  • Lüsterklemmen (oder Stecker und Muffen aus dem Modellbau)
  • LED (Leuchtdiode) für den Betrieb bei ca. 3 bis 6 Volt (aus dem Elektronikhandel)
  • Drahtschere, Küchenmesser
  • Optional: Voltmeter bzw. Multimeter
  • Tablett aus Kunststoff, Glas oder Keramik (kein Metall, trocken!)

So geht’s

  • Wenn ihr mit Zinkdraht arbeitet, wickelt etwa 15 Zentimeter Draht zu einer münzgrossen Scheibe auf, von der 2 bis 3 Zentimeter Drahtende abstehen. Fertigt insgesamt vier solcher Scheiben an. Wenn ihr mit Unterlegscheiben experimentiert, könnt ihr diesen Schritt überspringen.
Vier Zinkdraht-Spiralen als Elektroden für die Kartoffelbatterie
Vier Zinkdraht-Spiralen-Elektroden für eine Vierer- Kartoffelbatterie
  • Schneidet eine Seite jeder Kartoffel waagerecht ab, sodass die Kartoffeln nicht wackeln, wenn ihr sie auf eine Unterlage stellt.
  • Schneidet in die beiden gegenüberliegenden Enden jeder Kartoffel je einen Schlitz.
  • Steckt in die Schlitze jeder Kartoffel jeweils eine Kupfermünze und ihr gegenüber eine Zinkscheibe (Drahtspirale oder Unterlegscheibe). Die Metallscheiben dürfen sich nicht berühren! Wenn ihr ein Multimeter habt, könnt ihr es auf einen Messbereich von 1-2V einstellen und mit den beiden Messfühlern die Kupfer- und Zinkscheibe einer Kartoffel berühren. So habe ich an einer Kartoffel eine Spannung von rund 0,85V messen können.
Eine Kartoffelbatterie ohne angeschlossene Drähte
Eine Kartoffelbatterie ohne angeschlossene Drähte: Sie liefert eine Spannung von 0,85V.
  • Klemmt an jede Kupfermünze eine Büroklammer.
  • Schaltet nun die vier Kartoffeln in Reihe: Verbindet mittels Litze und Lüsterklemmen oder Steckern die Zinkscheibe einer Kartoffel mit der Kupfermünze der nächsten, die Zinkscheibe dieser nächsten mit der Kupfermünze der übernächsten Kartoffel und so weiter.
  • Wenn alle Kontakte funktionieren, solltet ihr nun zwischen der Kupfermünze der ersten und der Zinkscheibe der letzten Kartoffel eine Spannung von etwa 3,4V messen können (Messbereich ggfs. anpassen!).
Fertiger Kartoffelbatterie - Stromkreis
Fertig: Ein Kartoffelbatterie -Block aus vier Kartoffeln in Reihe samt angeschlossener LED. Jetzt nur noch das kurze Beinchen an die Zinkscheibe rechts im Bild…
  • Verbindet nun das lange Bein (Wichtig! Dioden, auch Leuchtdioden, leiten den Strom nur in eine Richtung, falschherum angeschlossen gehen sie kaputt!) der LED mit der letzten freien Kupfermünze.
  • Jetzt könnt ihr den Stromkreis schliessen: Berührt mit dem kurzen Bein (aber nicht mit dem Langen!) der LED die letzte freie Zinkscheibe: Die LED leuchtet auf!

Das passiert

Das Multimeter zeigt euch schon beim Aufbau, dass die Kartoffelbatterien funktionieren: Sie liefern eine messbare elektrische Spannung, und wenn man sie in einen Stromkreis einbaut, fliesst ein Strom! Und zwar ein so starker, dass er die LED zum Leuchten bringt.

Kartoffelbatterie betreibt rote LED
Licht aus und es wird sichtbar: Die rote LED leuchtet – dank Kartoffelbatterie!

Wo kommt der Strom her?

Die Metalle Kupfer und Zink bestehen aus elektrisch ungeladenen Atomen. Die Atome beider Metalle können Elektronen abgeben und so zu positiv geladenen Ionen werden. Diese Ionen können sich in Wasser lösen – zum Beispiel in dem Wasser in einer Kartoffel.

Allerdings ist das Bestreben der beiden Metalle, Elektronen abzugeben, sehr unterschiedlich. So gibt Zink ziemlich leicht Elektronen ab (Chemiker nennen es deshalb ein unedles Metall). Kupfer trennt sich dagegen wesentlich weniger leicht von seinen Elektronen (Chemiker nennen es deswegen ein edles Metall oder Edelmetall).

Steckt man also eine Zinkscheibe in eine Kartoffel, lassen einige Zinkatome Elektronen in der Scheibe zurück und lösen sich als Ionen im Kartoffelwasser. Die Zinkscheibe ist damit der (physikalische) Minuspol der Kartoffelbatterie.

Aus einer Kupferscheibe treten dagegen fast keine Ionen aus, sodass auch fast keine Elektronen zurückbleiben. Die Kupfermünze ist damit der (physikalische) Pluspol der Kartoffelbatterie.

Das Multimeter misst den Unterschied zwischen den Elektronenansammlungen im Zink (viele Elektronen) und Kupfer (fast keine Elektronen) und gibt ihn als Zahl mit der Einheit Volt (V) an. Diese Zahl, auch elektrische Spannung genannt, sagt Chemikern, wie unterschiedlich das Bestreben zweier Stoffe (hier Kupfer und Zink), Elektronen abzugeben, ist.

Verbindet man die Elektronenansammlung im Zink nun über elektrisch leitende Drähte mit dem elektronenarmen Kupfer, dann fliessen die Elektronen als Strom vom Zink ins Kupfer – und können auf ihrem Weg elektrische Geräte wie eine LED betreiben. So können immer neue Zink-Ionen entstehen und immer neue Elektronen zurücklassen. Damit fliesst der Strom eine ganze Weile, sodass die LED nicht sofort wieder ausgeht, sondern immer weiter leuchtet.

Und was geschieht an der Kupfermünze?

Wenn Elektronen vom Zink zum Kupfer fliessen, werden sie an ihrem Ziel von anderen, bestenfalls positiv geladenen Teilchen aufgenommen. Da Kartoffeln naturgemäss keine Kupfer-Ionen enthalten, sind das vornehmlich Wasserstoff-Ionen (H+ bzw. H3O+) aus der Kartoffel (In Wasser gibt es immer ein paar davon, und eine Kartoffel mag organische Säuren enthalten, die noch ein paar mehr liefern):

An der Kupfermünze entsteht also Wasserstoff-Gas. Die Münze selbst reagiert dagegen nicht.

Und der Rest des Stromkreises?

Der Name „Stromkreis“ verrät es: Damit ein Strom fliessen kann, braucht es einen kompletten Kreislauf. Die Elektronen fliessen aber nur durch die Kabel vom Zink zum Kupfer. Wo ist der Rest des Kreislaufs?

Für den ist die Kartoffel zuständig. Die enthält, wie schon erwähnt, eine Menge flüssiges Wasser, in dem geladene Teilchen sich bewegen können – wenn sie einen Anlass dazu haben. Zudem enthält eine Kartoffel naturgemäss eine Menge verschiedener Ionen, die nur auf einen Anlass zum Wandern warten. Und das Entstehen bzw. Verschwinden von Ionen an den Metallteilen in der Kartoffel ist solch ein Anlass.

So wandern die neu entstehenden Zink-Ionen und andere positiv geladene Ionen durch die Kartoffel in Richtung Kupfermünze, um die Ladung der dort verbrauchten Wasserstoff-Ionen zu ersetzen. Ebenso wandern negativ geladene Ionen durch die Kartoffel in Richtung Zink-Scheibe, um die Ladung der dort entstehenden Zink-Ionen auszugleichen.

Während die Elektronen also durch das Kabel vom Zink zum Kupfer fliessen, fliessen durch die Kartoffel andere Ladungen vom Kupfer zum Zink. Damit ist der Stromkreis ganz und gar geschlossen.

Das Ganze funktioniert daher ebenso gut mit Äpfeln, Zitronen oder anderem Obst. Denn auch diese Früchte enthalten flüssiges Wasser und verschiedene Ionen, die wandern können.

Wann ist eine Kartoffelbatterie leer?

Grundsätzlich ist eine Batterie dann leer, wenn es keinen messbaren Unterschied zwischen den Elektronenansammlungen an Minus- und Pluspol mehr gibt. Denn ohne diesen Unterschied kann kein Strom fliessen.

Wenn aus Zink-Atomen Ionen werden, verlassen diese das Metall und lösen sich im Wasser der Kartoffel. Damit bleiben immer weniger Atome in der Zinkscheibe. Mit anderen Worten: Die Zinkscheibe (oder -spirale) wird immer kleiner, bis – theoretisch – irgendwann nichts mehr davon übrig ist.

Gleichzeitig entsteht an der Kupfermünze Wasserstoff und verschiedene Ionen bewegen sich innerhalb der Kartoffel hin und her. Wird dabei ein Zustand erreicht, in dem es keine Ladungsansammlung mehr auszugleichen gibt, hört der Strom auf zu fliessen und die LED leuchtet nicht länger. Dann, so sagen wir, ist die Batterie „leer“.

Warum brauchen wir mehrere Kartoffeln?

Meine Leuchtdiode, ein typisches Exemplar aus dem Handel für Elektro-Kleinteile, ist für den Betrieb in Stromkreisen mit 6-Volt-Batterieblöcken ausgelegt. Das heisst, um genügend Strom zu erzeugen, dass sie leuchtet, brauchen wir zumindest annähernd eine Spannung dieser Höhe (in jeder Schaltung ist etwas „Schwund“, sodass die LED für den 6-Volt-Antrieb schon mit weniger Strom als aus 6 Volt leuchten). Tatsächlich hat meine LED schon bei einer Spannung von gut 3 Volt zu leuchten begonnen.

Und das ist auch gut so. Denn eine höhere Batterie-Spannung kann erreicht werden, indem man mehrere Batterien hintereinander schaltet. Dann nämlich addieren sich die Spannungen über den einzelnen Batterien zur Gesamtspannung. Das funktioniert bei Kartoffelbatterien genauso wie bei richtigen Batterieblöcken: 4 „AA“-Batterien, die jede für sich 1,5V liefern, liefern in Reihe geschaltet 1,5V+1,5V+1,5V+1,5V = 6V (oder 4*1,5V=6V). Vier Kartoffeln, die jede für sich 0,85V liefern, liefern in Reihe geschaltet dementsprechend 3,4V.

Um einen 6-Volt-Batterieblock zu ersetzen, bräuchte ich also 7 Kartoffeln (7*0,85V = 5,95V), 7 Münzen und 7 Zink-Spiralen oder -scheiben, 9 Kabel und eine Menge Platz. Dazu kommt, dass ihr die Kartoffeln nach dem Experiment nicht mehr essen solltet, denn sie könnten Metallionen enthalten, die ungesund sind (Zink-Ionen sind zwar nicht ungesund und Kupferionen werden nur wenige darin sein, aber man weiss nie so genau, ob in Unterlegscheiben oder Drähten noch andere, ungesündere Metalle als Zink enthalten sind).

Sollte eure LED mit vier Kartoffeln nicht leuchten, obwohl die Kontakte als solche in Ordnung sind, schaltet einfach noch eine fünfte Kartoffelbatterie dazu.


Entsorgung

Die elektrischen Bauteile, Münzen und Kabel könnt ihr für spätere Experimente aufheben (spült die Münzen und Zinkscheiben ggfs. zuvor mit Wasser sauber und trocknet sie ab).

Die Kartoffeln solltet ihr – wie schon erwähnt – nach dem Experiment nicht essen. Wenn euer Bioabfall ähnlich wie unserer verbrannt wird, könnt ihr sie aber in die Biotonne entsorgen. Wegen der Metallionen darin solltet ihr die Kartoffeln aber besser nicht in den Kompost geben (besonders Klein- und Kleinstlebewesen mögen Kupferionen gar nicht!).

Hast du das Experiment nachgemacht: 

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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

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Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku? – Zum Chemie-Nobelpreis 2019

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Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Gestern wurden die Nobelpreise für 2019 vergeben: Der Nobelpreis für Chemie geht an John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino – für eine wahrhaft weltbewegende Erfindung: Den Lithium-Ionen-Akku.

Ein Preis für den grössten Nutzen für die Menschheit

Der schwedische Erfinder und Industrielle (u.A. Erfinder des Dynamits) Alfred Nobel verfügte vor seinem Tod am 10. Dezember 1896 in seinem Testament, dass von seinem riesigen Vermögen eine Stiftung gegründet werde, deren Zinsen „als Preis denen zugeteilt werde, die im verflossenen Jahr der Menschheit den grössten Nutzen geleistet haben“. Das Preisgeld wird zu gleichen Teilen in den Bereichen Physik, Chemie, Medizin bzw. Physiologie, Literatur und Friedensbemühungen vergeben*.

*Der ebenfalls oft genannte „Wirtschaftsnobelpreis“ ist dagegen kein „echter“ Nobelpreis: Er heisst eigentlich Alfred-Nobel-Gedächtnispreis für Wirtschaftswissenschaften und wird erst seit 1968 von der Schwedischen Reichsbank gestiftet.

Die Nobelpreise werden seit 1901 bis heute vergeben (teils mit Verspätung oder Auslassung, wenn kein würdiger Träger gefunden wurde oder ein Weltkrieg dazwischen kam). Dabei wird in jüngerer Zeit längst nicht mehr Leistungen des jüngsten „verflossenen“ Jahres ausgezeichnet. Stattdessen wird Erfindungen und Bemühungen – besonders in den wissenschaftlichen Disziplinen – Zeit gegeben, ihre Bedeutung für die Menschheit zu beweisen.

Wie Lithiumionen-Akkus die Welt verändert haben

So werden auch die Träger des Nobelpreises für Chemie 2019 für Leistungen geehrt, die sie in den 1970er und 1980er Jahren vollbracht haben. Und die haben wahrhaftig unsere Welt verändert!

Eine Zeit ohne Hochleistungs-Akkus

Wenn ihr mindestens so alt seid wie ich (ich bin Anfang der 1980er Jahre geboren), werdet ihr euch noch an die Zeit erinnern, als Einwegbatterien meist giftiges Cadmium enthielten, wenig Leistung lieferten und eine geringe Lebensdauer hatten. Tragbare Kassettenspieler hatten monströse Batterieschächte, lichtstarke Taschenlampen konnten als Totschläger zweckentfremdet werden und leistungsstärkere Elektrogeräte gab es nur fest verortet an der Steckdose.

Wiederaufladbare Batterien, sogenannte Akkus, waren der neueste Schrei. Die ersten Vertreter ihrer Art waren schwere Brocken, denn sie enthielten ebenso giftiges wie schweres Blei. Die Nickel-Metallhydrid-Akkus, an die ich mich aus meinen letzten Jugendjahren noch erinnere, enthielten ebenfalls ein giftiges Schwermetall – Nickel – und konnten, bei nur wenig geringerem Gewicht, in ihrer Kapazität auch nicht mit den Einweg-Batterien mithalten.

1991 kam der Lithium-Ionen-Akku auf den Markt –  und erst Jahre später in meine Welt. Nämlich Mitte der 1990er verbaut in Papas erstem tragbaren PC – pardon, „Laptop“, von seinem damaligen Arbeitgeber. Der wog dereinst noch rund 4 Kilogramm – konnte aber, was jeder Office-PC an der Steckdose leistete! Darauf folgte sein erstes Mobiltelefon…und schon kurz darauf, um das Jahr 2000, konnte ich mir schon ein handliches Pre-Paid-Handy vom Schülerinnen-Taschengeld leisten.

Die neue Welt der Mobilität

Heute schreibe ich diesen Artikel an meinem modernen Convertible, der gerade einmal ein Kilo wiegt und trage einen Taschencomputer mit Telefonfunktion, der kleiner als eine Tafel Schokolade ist und mehr Rechenleistung aufbringt als Papas 4-kg-Laptop von damals, im Dauerbetrieb mit mir herum. Und das einen ganzen Tag lang.

Mein Lieblings-Autovermieter hat mir unlängst als nette Zusatzüberraschung ein Hybrid-Fahrzeug ausgehändigt, dessen Akku über den Dynamo im Verbrennungsmotor aufgeladen wird und damit langsame Fahrt mit einem Elektromotor machen kann. Auch im vollständig elektrisch betriebenen Tesla bin ich schon ein kleines Stück mitgefahren.

Ganz schön gross: Lithium-Ionen-Akku für ein Elektroauto (der erste, der in den USA von einem grossen Autobauer hergestellt wurde)
(by ENERGY.GOV [Public domain], via Wikimedia Commons)

Die Garage des Tesla-Besitzers mag statt mit Schindeln mit Solarzellen, die aus Sonnenenergie Strom erzeugen und in einen grossen „Tankstellen-„Akku speisen, gedeckt sein.

Besonders diese letzten Entwicklungen mögen die Jury zur Vergabe des Preises bewegt haben:

„Sie haben die Grundlage gelegt für eine drahtlose, von fossilen Brennstoffen freie Gesellschaft und sind für die Menschheit von größtem Nutzen.“ 

Aber wie funktioniert eigentlich ein Lithium-Ionen-Akku?

Im Grunde genommen ist ein Akku (-mulator) eine Spielart der Batterie, nämlich eine wiederaufladbare Batterie.

Was ist eine Batterie?

Eine Batterie im Allgemeinen ist ein Speicher für elektrischen Strom. Da „elektrischer Strom“ ein Strom aus negativ geladenen Teilen, den Elektronen, ist, bedeutet das: Eine Batterie ist ein Behälter, in welchem Elektronen getrennt von positiven Ladungen aufbewahrt werden.

Eine einfache Batterie (auch: galvanische Zelle) zum Nachbau im Labor: Ein Zinkblech in Zinksulfatlösung (rechter Behälter) enthält viele Elektronen (Zink gibt seine Elektronen nämlich gerne ab und wird zu Zink-Ionen Zn2+ ). Kupferionen Cu2+ bilden einen Vorrat an positiven Ladungen im linken Behälter (sie nehmen nämlich gerne Elektronen auf und gesellen sich zu den Kupfer-Atomen im Kupferblech). Wenn Elektronen vom Zink zum Kupfer wandern, wandern zum Ladungsausgleich Sulfat-Ionen SO42- über die Salzbrücke (ein mit Salzlösung gefülltes Glasrohr) vom linken in den rechten Behälter. Sobald alle beteiligten Reaktionen zu einem chemischen Gleichgewicht (Was ist das? Le Châtelier erklärt es hier!) gefunden haben, kommen die Ladungsströme zum Erliegen: Die Batterie ist „leer“.
(by Myukew [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

Nun lassen sich Elektronen nicht freiwillig von positiven Ladungen trennen (positive und negative Ladungen finden einander nämlich äusserst anziehend). Eine Batterie zu erschaffen erfordert dementsprechend Energie – die bei ihrer Benutzung in Form des elektrischen Stroms an das betriebene Elektrogerät weitergegeben wird.

Verbindet man die beiden Teilbehälter (die „Pole“ einer Batterie sind quasi Öffnungen dieser Behälter) miteinander, strömen die Elektronen, angezogen von den positiven Ladungen auf der anderen Seite, dem gegenüberliegenden Pol entgegen. Und zwar so lange, bis an beiden Polen die gleiche Ladung versammelt ist. Dann gibt es nichts mehr, was fliessen wollte, und die Batterie ist leer.

Wie man eine Batterie wieder auflädt

Einweg-Batterien sind so geschaffen, dass ihr Material endgültig „verbraucht“ ist, wenn die Ladungen an den beiden Polen erst einmal ausgeglichen sind. Sie müssen dann im Sondermüll entsorgt und aufwändig wiederverwertet werden. Deshalb waren wieder aufladbare Batterien von vorneherein erstrebenswert.

Solche müssen folglich aus Materialien bestehen, in welche man am negativen Pol neue Elektronen – aus einer Steckdose oder „frisch“ aus einem Generator – hinein stopfen kann, während man am positiven Pol Elektronen herauszieht. In den ersten Akkus enthielten solche Materialien Blei, in späteren Nickel – beides giftige Schwermetalle, deren Name zudem Programm ist (besonders Blei ist ja als Schwergewicht wohlbekannt).

Zudem war das Hineinstopfen von Elektronen in ein Material nicht eben einfach. Schliesslich stossen sich gleiche Ladungen ja gegenseitig ab, sodass viel Aufwand nötig ist, um viele davon eng gepackt in den gleichen Behälter zu pferchen.

Michael Stanley Whittinghams Idee

In den 1970er Jahren kam der Chemiker M. Stanley Whittingham auf die Idee, das Zusammenpferchen von Elektronen zu erleichtern, indem er positiv geladene Ionen in das eigentliche Material am Minuspol einwandern liess, die diese Elektronen entgegennehmen sollten.

Dazu bot sich Lithium, das leichteste aller Alkalimetalle (der Elemente ganz links im Periodensystem unterhalb vom Wasserstoff) geradezu an. Wie alle Alkalimetalle ist es nämlich nur zu gern bereit, die entgegengenommenen Elektronen wieder abzugeben, sobald sie gebraucht werden. Zudem sind seine Salze wasserlöslich und es besteht aus den leichtesten Metall-Atomen des Universums, sodass es leichte Batterien verspricht.

Redox-Chemie im Lithium-Ionen-Akku

Whittingham verwendete also Titandisulfid, TiS2, (auch das Metall Titan(ium) ist relativ leicht und vor allem ungiftig) als Elektrode am Pluspol, in welches Lithium-Ionen eingelagert waren. Beim Aufladen bewegte der Überschuss an positiver Ladung die Lithiumionen aus dem Material hinaus, sodass sie zum Minuspol, einem Stück Lithium-Metall, wandern konnten. Dort angekommen konnten sie ein in das Lithium gestopftes Elektron aufnehmen und sich als Metall-Atome zum übrigen Metall gesellen:


Vielleicht erinnert ihr euch noch daran: Eine Reaktion, bei der Elektronen aufgenommen werden, heisst Reduktion.

Zum Ausgleich werden am Pluspol Elektronen entfernt, sodass dort mehr positive Ladung verbleibt. Eine Reaktion wie diese, bei welcher Elektronen abgegeben werden, heisst übrigens Oxidation.


Wurde eine solche Lithiumbatterie über eine Ladevorrichtung mit einer Stromquelle verbunden, wurden also Elektronen aus Titandisulfid entnommen, während Lithium-Ionen von dort zur Lithium-Elektrode wanderten, um dort hineingestopfte Elektronen entgegen zu nehmen.

Nahm man dann die Stromquelle weg und verband die Pole stattdessen aussen herum mit einem Verbraucher (also ein Elektrogerät), gaben Lithium-Atome im Lithium-Metall ihre Elektronen wieder ab:

Die Lithium-Ionen wanderten zurück zum Titandisulfid, während die Elektronen durch den Verbraucher zurück zum Pluspol flossen und dabei das Gerät antrieben wie Wasser eine Mühle.

Wiederaufladbarkeit durch umkehrbare Reaktionen

Die Richtung der oben genannten Redox-Reaktionen wird nach dem Aufladen des Akkus bei seinem Gebrauch also einfach umgekehrt. Und sobald die Ladungen an den Polen ausgeglichen sind und der Akku damit „leer“ ist, wird die Reaktionsrichtung beim nächsten Aufladen erneut umgekehrt, und dann wieder und wieder.

Dieses Umkehren funktioniert viele Male, bevor es zu einem merklichen Verschleiss des Materials kommt. Nur: In Titandisulfid liessen sich zwar so einige Lithium-Ionen unterbringen, aber noch nicht genug, als dass die Batterien wirklich handlich gewesen wären.

Vom Plus- zum Minuspol gelangen die Lithiumionen übrigens durch einen Elektrolyten, also einen Stoff (flüssig oder fest), der Ionen (und damit eine Spielart des elektrischen Stroms) leiten kann. Der Elektrolyt verbindet Minus- und Pluspol miteinander, wobei eine nur teilweise passierbare Trennschicht („Separator“) dafür sorgt, dass das einen Kurzschluss gibt.

John Bannister Goodenough legt nach

Dem Physiker John B. Goodenough waren die Whittingham’schen Batterien deshalb nicht ‚gut genug‘. So forschte er weiter und entdeckte 1980, dass sich Lithiumcobaltoxid, LiCoO2, noch besser für den Pluspol eines Lithium-Ionen-Akkus eignet als Whittinghams Titandisulfid. Denn in das Ionengitter dieser Verbindung passen besonders viele Lithiumionen. Und diese können hinaus und hinein wandern, ohne dass das Gitter daran Schaden nimmt.

Damit liess sich eine doppelt so hohe Spannung in der neuen Batterie erzeugen wie mit der ursprünglichen Version von Whittingham!

Wenn Hitze zum Problem wird

Einen Haken hat das Material aber doch: Ab einer Temperatur von 180°C wird aus Lithiumcobaltoxid Sauerstoff freigesetzt. Und der ist als rücksichtsloser Elektronendieb (auf chemisch: starkes Oxidationsmittel) berüchtigt. So reagiert der freigesetzte Sauerstoff wild mit den Materialien des Akkus, der daraufhin lichterloh und unlöschbar abbrennt (Fachleute sagen: der Akku „geht thermisch durch“).

Das lässt sich aber relativ leicht verhindern, indem man dafür sorgt, dass der Lithium-Ionen-Akku nicht zu heiss wird.

Ein wesentlich grösseres Problem stellt dahingehend Lithium-Metall dar. Die Fähigkeit von Alkalimetallen wie Lithium, sehr leicht ein Elektron abzugeben (also oxidiert zu werden), die für die Lithiumbatterien so nützlich ist, führt nämlich auch dazu, dass diese Metalle sehr lebhaft mit allem Möglichen reagieren. Zum Beispiel mit Wasser.

So konnte schon ein wenig Feuchtigkeit dazu führen, dass die Whittingham’sche wie auch die Goodenough’sche Lithiumbatterie kaputt oder gar in Flammen aufging. Das war für eine Anwendung ausserhalb des Labors mit seinen Sicherheitsvorkehrungen natürlich nicht vertretbar.

Akira Yoshino liefert den (vorerst) letzten Schliff

Der Ingenieur Akria Yoshino fand 1985 schliesslich einen stabileren Ersatz für das impulsive Lithium-Metall am Minuspol: Er verwendete Petrolkoks, einen kohlenstoffreichen Abfall aus der Erdölverarbeitung, in welchen wiederum Lithiumionen (bzw. -atome) eingebettet werden. Eine Elektrode aus einem solchen Material tut ebenso ihren Dienst wie metallisches Lithium, geht aber nicht bei jeder Kleinigkeit in die Luft. Heutzutage wird stattdessen Graphit, also reiner Kohlenstoff, verwendet, der, anders als Petrolkoks, keine weiteren und giftigen Abfälle mehr enthält.

Skizze eines modernen Lithium-Ionen-Akkus mit Lithiumcobaltoxid: Beim Aufladen wandern Li+-Ionen aus dem Lithiumcobaltoxid (links) zum Graphit (rechts), um Elektronen, die über den Kupferdraht (Cu) hineingelangen, in Empfang zu nehmen. Beim Entladen gibt das Lithium im Graphit die Elektronen wieder ab und die Li+-Ionen wandern zurück ins Lithiumcobaltoxid. Die Elektrolytlösung besteht aus einem organischen Lösungsmittel mit darin gelösten Salzen, die für die Leitfähigkeit sorgen.
(by Cepheiden [CC BY-SA 2.0 de], via Wikimedia Commons )

Damit waren alle Zutaten zusammen, um einen für die Anwendung durch Otto Normalverbraucher sicheren Akku auf den Markt zu bringen. Der erste seiner Art kam dann auch 1991 in einer Videokamera der Firma Sony aus Yoshinos Heimatland Japan auf den Markt.

Sind Lithium-Ionen-Akkus wirklich sicher?

Immer wieder hört und liest man in den Medien von Lithium-Ionen-Akkus, die in Flammen aufgehen und Verletzungen oder grössere Brände verursachen. Dennoch sind solche Vorkommnisse Einzelfälle, die meist durch Beschädidungen der Batterien (durch die Sauerstoff in die Akkus gelangen kann) oder Baufehler (wie 2017 bei dem berüchtigten Samsung Galaxy Note 7) verursacht werden.

So könnt ihr verhindern, dass eure Lithium-Ionen-Akkus „durchgehen“

  • Verwendet nur das Ladegerät, das für euren Akku bzw. euer Elektrogerät vorgesehen ist! So verhindert ihr, dass zu viele Elektronen hineingestopft werden und der Akku deshalb überhitzt.
  • Zerlegt oder/und kombiniert Lithium-Ionen-Akkus niemals selbst! Eine intakte Umhüllung sorgt dafür, dass reaktionsfreudige Bestandteile des Akkus drinnen und Sauerstoff und Wasser draussen bleiben.
  • Haltet eure Akkus und Geräte sowohl von Feuer und Hitze über 60°C (Sonneneinstrahlung!) als auch von Frost fern. Beide Extreme können zu Beschädigungen führen!
  • Wenn ein Lithium-Ionen-Akku beschädigt oder verformt aussieht, benutzt ihn keinesfalls, sondern entsorgt ihn umgehend (als Sondermüll bzw. beim Hersteller oder Verkäufer des Geräts)! Ist der beschädigte Akku neu und habt ihr noch eine Garantie für das Gerät, bekommt ihr allenfalls kostenlos Ersatz dafür.

Und wenn euer Akku doch einmal kaputt ist oder gar brennt

  • Die Lithium-Ionen-Akkus unserer Elektrogeräte enthalten kein metallisches Lithium. Wasser facht einen Brand eines solchen also nicht an, sodass ihr ein Gerät mit brennendem Akku und seine Umgebung getrost mit Wasser kühlen könnt. CO2– oder Schaum-Feuerlöscher könnt ihr ebenfalls verwenden.
  • Löschen lässt sich ein durchgehender Lithium-Ionen-Akku aber nicht. Lasst ihn daher, wenn möglich, an einem feuerfesten Ort (und fern von eurem Körper) einfach ausbrennen.
  • Droht ein Brand ausser Kontrolle zu geraten, ruft umgehend die Feuerwehr zur Hilfe (118 in der Schweiz, 112 in Deutschland und Österreich)!
  • Sollte Flüssigkeit aus einem beschädigten Akku auslaufen, lasst sie nicht an eure Haut gelangen: Die Elektrolytflüssigkeit aus solchen Akkus kann mit Wasser zu äusserst giftiger Flusssäure reagieren! Fasst auslaufende Akkus nur mit Schutzhandschuhen und kürzestmöglich (die Handschuhe danach sofort ausziehen und entsorgen!) an, umwickelt sie mit mehreren Lagen Plastik oder bringt sie am besten noch im zugehörigen Gerät umgehend zur Sondermüllentsorgung!

Die Zukunft der wiederaufladbaren Batterien

Mit den bestehenden Schwachstellen sind die heutigen Lithium-Ionen-Akkus besonders einem ihrer Mit-Erfinder noch immer nicht ‚gut genug‘: Mittlerweile 97 Jahre alt (und damit der älteste Empfänger eines Nobelpreises aller Zeiten!) und kein Bisschen müde forscht John B. Goodenough bis heute an Neuerungen für wiederaufladbare Batterien.

Dabei zielen seine Neuentwicklungen darauf ab, das im Universum und damit auch auf der Erde relativ seltene Lithium durch seinen sehr viel häufigeren Bruder Natrium (dessen Ionen z.B. Bestandteil von Kochsalz sind) zu ersetzen.

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