Chemische Reaktionen
Elektrolyse
Kupfer-Chlorid ist das Produkt einer Reaktion von Kupfer mit Chlor. Diese Reaktion verläuft exotherm, was bedeutet, dass sie unter einer Abgabe von Energie verläuft. Für die Zerlegung von Kupfer-Chlorid ist in die Elemente ist wiederum Energiezufuhr nötig.
Cu+Cl2 <----> CuCl2
Wird elektrische Energie zugeführt, spricht man von einer Elektrolyse.
Elektrolyte
Bei der Elektrolyse wird mit 2 Elektroden Gleichstrom mit bestimmter Spannung durch eine elektrisch leitfähige Lösung/Schmelze geleitet. Diese Lösungen nennt man „Elektrolyte“.
Kationen und Anionen
Bei Gleichspannung beginnen die Ionen zu wandern. Positive Ionen („Kationen“) wandern zur elektrisch negativen Elektrode („Katode“), dort herrscht ein Elektronenüberschuss.
Negative Ionen(„Anionen“) ----> positive Elektrode ----> („Anode“) Elektronen mangel
Im Elektrolyt fließen Ionen in den Elektroden und den Kabelverbindungen zur spannungsquelle fließen jedoch Elektronen, daher muss an den Grenzflächen zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt eine Umwandlung des Elektronenflusses in einen Ionenfluss (oder umgekehrt) stattfinden. Dazu sind die chemischen Reaktionen, Oxidation und Reduktion nötig.
Elektrodenreaktionen
An der Katode werden die positiven Ionen aufgrund der Spannung gezwungen Elektronen aufzunehmen:
Cu2++ 2e- --> Cu
„katodische Reduktion“
An der Anode werden die negativen Ionen durch die Spannung gezwungen, Elektronen abzugeben:
2Cl- --> Cl2+ 2e-
„anodische Oxidation“
----> Die Katode ist das Reduktionsmittel und die Anode das Oxidationsmittel.
Katodische Reaktion und anodische Oxidation sind technisch wichtige Verfahren:
· Durch katodische Reduktion können Metalle und andere Stoffe gewonnen werden.
z.B. elektrolytische Hochreinigung von Kupfer, Herstellung von Chlor und Natronlauge, Aluminiumgewinnung
· Beim „Galvanisieren“ werden dünne Metallüberzüge elektrolytisch erzeugt. Dieses Verfahren (z.B. Verchromen) dient zum Schutz gegen Korrosion oder zur Verschönerung.
· Als Korrosionsschutz kann z.B. bei Aluminium auch eine festhaftende, durchsichtige Oxidschicht dienen. Diese wird durch anodische Oxidation erzeugt(„Eloxal-Verfahren“).
{pgomakase}
Faraday´sche Gesetze
1832 stellte Michael Faraday die quantitativen Grundgesetze für Elektrolysen auf.
Diese lauten:Die Masse eines Elements, die bei einer Elektrolyse abgeschieden wird, ist
1. Der elektrischen Ladung, die durch den Elektrolyten fließt und
2. Der Atommasse des Elements proportional.
Die elektrochemische Spannungsreihe
Wenn man die Redoxpaare nach ihren Standardpotenzialen ordnet, erhält man die Spannungsreihe. Werden in diese Reihe auch nichtmetallische Elemente aufgenommen spricht man von der Redoxreihe.
Wasserstoff ist in der Spannungsreihe die Grenze zwischen edlen und unedlen Metallen.
Da die unedlen Metalle eher bereit sind, Elektronen abzugeben, werden sie leicht oxidiert und sind deshalb das stärkste Reduktionsmittel. Edle Metalle (in Spannungsreihe unter Wasserstoff) sind schwer oxidierbar und deshalb eher selten als Reduktionsmittel geeignet. Ein Metall kann erst als Reduktionsmittel auf die Ionen eines anderen Metalls wirken, wenn es in der Spannungsreihe höher steht.
Das Standardpotenzial ist ein Maß für die Stärke von Reduktions- und Oxidationsmitteln.
Bei einer Elektrolyse gibt die Potentialdifferenz zwischen 2 Redoxpaaren die Mindestspannung an, die nötig ist. So kann man durch die Spannung entscheiden, welche Ionen an einer Elektrode abgeschieden werden.
Aus der Spannungsreihe kann man errechnen, welche Spannung eine Kombination von 2 Halbzellen (Batterie, Akku)liefern kann, oder welche Spannung für eine Elektrolyse benötigt wird.
Korrosion
Das Rosten von Stahl ist das größte Wirtschaftsproblem, weil verrostetes/corrodiertes Stahl seine mechanischen Eigenschaften verliert. Abgesehen von den Edelmetallen, sind alle Metalle auf lange Sicht chemisch instabil, wenn sie ungeschützt in der Atmosphäre sind oder mit Wasser in Kontakt kommen.
Lokalelemente
Korrosion ist eine langsam ablaufende Oxidation einer galvanischen Zelle im Metall, die unerwünscht ist. Durch diese chemische Reaktion wird das Metall zerstört. Auf der Metalloberfläche bildet sich ein „Lokalelement“. Die galvanische Zelle besteht aus 2 Elementen mit unterschiedlicher Fähigkeit: 1. Elektronen abzugeben; 2. Elektrolyt, der leitende Verbindung herstellt (Wasser; Salze erhöhen Leitfähigkeit und beschleunigen die Korrosion)
Korrosion von Stahl
In Stahl ist Eisen das unedle Metall und somit der negative Pol ----> Oxidiert
Der positive Pol wird von den edleren Bestandteilen gebildet. Die Oxidschicht aus Fe2O3 löst sich ab.
---> Völlige Zerstörung des Stahls
Korrosionsschutz
Metallische Schutzschichten
Können auf 2 verschiedene Arten Stahl vor dem Rosten schützen:
1. Beschichtung mit elderem Metall
2. Beschichtung mit unedlem Metall
Wenn Stahl mit einer Schicht von einem unedleren Metall (z.B. Zink) überzogen wird, ist es durch den elektrochemischen Schutz der Zinkschicht geschützt. Zuerst bildet Zink eine fest haftende Schicht aus ZnCO3.Zn(OH)2. Wird diese Schicht verletzt geht das Zink als unedles Metall sehr leichter ab und mit der Zeit bleibt das Eisen reduziert metallischen Zustand und korrodiert auch mit der Zeit.
Anwendung: Autokarosserien, Dachbleche und Leitungsrohre
Bei einer Beschichtung mit Zinn (in Spannungsreihe unterhalb v. Eisen), einem edleren Metall, wirkt der Überzug nur als mechanischer Schutz. Wird der Zinnüberzug beschädigt, bildet das Eisen bei Berührung mit Wasser den negativen Pol. Es oxidiert und korrodiert. Verzinntes Eisenblech wird „Weißblech“ genannt (z.B.Konserven=dosen)
Metallische Schutzschichten werden entweder durch Galvanisierung oder durch Eintauchen in flüssiges Metall (Feuerverzinken) hergestellt. Beim Galvanisieren taucht das zu beschichtenden Metall in eine Salzlösung des Schutzmetalls ein und wird als Katode gepolt. ----> Verzinken, verchromen, vernickeln u.s.w.
Nichtmetallische Schutzschichten wie Lackierungen oder Kunststoffüberzüge, verlieren bei einer Verletzung der Schutzschicht ihre Wirksamkeit.
Schutzschichten durch anodische Oxidation
Dieses Verfahren wird hauptsächlich bei Aluminium verwendet. Beim „Eloxal“-Verfahren wird das Aluminium als Anode(positiv) gepolt und wird in eine verdünnte Schwefelsäure eingetaucht. An der Anode bildet sich Sauerstoff und das Metall wird mit einer Schicht von Aluminiumoxid überzogen. Es haftet fest an der Oberfläche
----> „Passivierung“
Die Opferanode
Dieser aktive Korrosionsschutz schützt Schiffsteile und Wasserleitungen unter der Erde vor der Korrosion. Das Metall, welches geschützt werden soll, wird mit einer Elektrode aus einem unedleren Metall (z.B. Zink/Magnesium) verbunden. Das unedlere Metall bildet den negativen Pol und oxidiert. Es wird zum Schutz des anderen Metalls „geopfert“.
| < Zurück | Weiter > |
|---|
