Film der Einheit Metalle

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1 Film der Einheit Metalle Edle und unedle Metalle Produktionszahlen Metalle im Periodensystem der Elemente Herstellung einiger Metalle (Eisen, Aluminium, Kupfer) Kristallgitter und Bindungen in Metallen Galvanische Zellen Standardpotentiale Spannungsreihe Das Daniell-Element Prinzip der galvanischen Zelle Reaktion von Metallen mit nichtoxidierenden und oxidierenden Säuren Abscheidung von Metallen aus Lösungen Redoxreihe Elektrochemische Spannungsquellen Batterien, Akkus Brennstoffzellen Funktionsprinzip, Typen, Anwednungen Literatur [1] M. Tausch, M. v. Wachtendonk (Hrsg.), Chemie I, C.C. Buchner, Bamberg 2006 [2] M. Tausch, M. v. Wachtendonk (Hrsg.), Chemie 2000+, C.C. Bochner, Bamberg 2007 [3] P. W. Atkins, J. A. Beran, Chemie einfach alles, VCH, Weinheim, 2006

2 Unedle und edle Metalle Fe, Al, Zn, Mg, Pb... Cu, Ag, Au, Pt...

3 Gebrauchsmetalle im Vergleich Weltproduktion im Jahr 1990 Ca. 10 % des Roheisens werden als Gußeisen verarbeitet, ca. 90% dienen zur Herstellung von Stahl. Der größte Teil davon geht in den Maschinenbau. Aluminium Anwendungsbereiche in Deutschland 1990

4 Lit. [2]: hinterer Innendeckel und Buchners Chemie-Begleiter

5 Experiment Herstellung eines Metalls durch Reduktion seines Oxids CuO(s) + H 2 (g) Cu(s) + H 2 O(l) Lit. [1]: S. 79

6 Beschickung des Hochofens Eisenerz: z.b. Hämatit Fe 2 O 3 (Gangart: z.b. Al 2 O 3, SiO 2 ) Reduktionsmittel: C (Koks) (Zuschlag: z.b. CaCO 3 ) Roheisen Schlacke Lit. [1]: S Eisen (Roheisen) wird im Hochofenprozess durch Reduktion von Eisenoxiden hergestellt

7 Schema eines Konverters für das Sauerstoffaufblasverfahren Stahllegierungen Lit. [1]: S

8 Experiment Herstellung eines Metalls durch Elektrolyse Kathode (-): Cu 2+ (aq) + 2e - Cu(s) Anode (+): 2Cl - (aq) - 2e - Cl 2 (g) Lit. [1]: S

9 Elektrolytische Raffination von Kupfer Die Elektrolysespannung beträgt 0,2 bis 0,3 V Aufgaben Reaktionen (+): Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2 e - E o = 0,35 V A und A (-): Cu 2+ (aq) + 2 e - Cu(s) E o = 0,35 V Lit. [2]: S. 187

10 Aluminium wird durch eine großtechnische Elektrolyse hergestellt Die Elektrolytschmelze aus 80% Kryolith Na 3 [AlF 6 ] und 20% Aluminiumoxid hat eine Temperatur von ca. 950 o C (Al l2 O 3 schmikzt bei 2045 o C) Prozesse an den Elektroden (stark vereinfacht) Durch Umschmelzen von Aluminiumschrott werden Rohstoffe und bis zu 95% Energie eingespart Lit. [2]: S. 186

11 Elektronengas-Modell der Metallbindung Vergleich: Metall - Ionenkristall

12 Hexagonal dichteste Packung ABABAB... (Zink, Magnesium) 1. Kristallgitter in Metallen Kubisch dichteste Packung ABCABC... (Aluminium, Kupfer, Silber) 3. Eigenschaften von Metallen 2. Energiebänder - Modell

13 Abscheidung von Blei an Zink: Bleibaum Experimente Abscheidung von Metallen aus ihren Salz-Lösungen Reaktion von Metallen mit Salzsäure HCl(aq) Reaktion von Metallen mit Salpetersäure HNO 3 (aq)

14 Redoxreihe der Metalle und des Elements Wasserstoff vgl. auch Spannungsreihe der Metalle auf Folie Nr. 19 Lit. [2]: S

15 Experimente Das Daniell-Element in verschiedenen Variationen

16 Das Daniell-Element in verschiedenen Ausführungen Lit. [2]: S

17 Redoxreaktionen und Ionenfluß beim Daniell-Element Lit. [2]: S

18 Experimente Galvanische Zellen aus Halbzellen des Typs Me/Me z+ (Cu/Zn Ag/Cu Ag/Zn Cu/Li) Lit. [2]: S

19 Wasserstoff Standard-Wasserstoff-Halbzelle oder Normal-Wasserstoff-Elektrode Messung des Standard-Elektrodenpotentials des Redoxpaars Me/Me z+. Lit. [2]: S

20 Spannungsreihe der Metalle E o ist das Standard- Elektrodenpotential der Zelle Me/Me z+ // H 2 /2H 3 O + Lit. [2]: S

21 - + E o (Me/Me z+ ) < 0 Wasserstoff E o (H 2 /2H + ) = 0 Dontor-Halbzelle Akzeptor-Halbzelle U = E o = E o (Akzeptor-Halbzelle) - E o (Donator-Halbzelle) Allgemeingültige Gleichung für galvanische Zellen und Konzentrationsketten Lit. [2]: S

22 Handelsübliche Batterien Lit. [2]: S

23 Zink-Luft Batterie (Haupt)Reaktionen: (-): 2Zn 2Zn e - (+): O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - Taschenlampenbatterie Leclanché-Element (seit 1867) (Haupt)Reaktionen: (-): Zn Zn e - (+): MnO 2 + 2H 2 O + 2e - 2MnO(OH) + 2OH - Lit. [2]: S

24 Experimente Zink-Iod Akku als Modellexperiment

25 2. Bleiakkumulator Aufbau 1. Bleiakkumulator als Autobatterie 3. Bleiakkumulator Prinzip 3. Bleiakkumulator Reaktionen Lit. [2]: S

26 Drei Akkumulatoren im Vergleich

27 Experimente Brennstoffzelle aus Rasierscherfolien Wasserstoff-Luft Brennstoffzelle

28 Die Brennstoffzelle und Elektroden-Potentiale von Wasserstoff- und Sauerstoff-Elektroden in Abhängigkeit vom ph-wert Lit. [2]: S

29 Vergleich Heizkraftwerk - Brennstoffzelle bei der Nutzung der chemischen Energie, die in elektrische Energie umgewandelt wird Wirkungsgrad ca. 35% Wirkungsgrad ca. 80%

30 Liste aller Experimente Reduktion von CuO zu Cu Elektrolyse von CuCl 2 Abscheidung von Metallen aus Lösungen Reaktion von Metallen mit nicht-oxidierenden und oxidierenden Säuren Daniell-Element in verschiedenen Ausführungen (Bechergläser, U-Rohr, Tonzylinder) Galvanische Zellen mit Metallelektroden (Cu/Zn Ag/Cu Ag/Zn Cu/Li) Zink-Iod Akku als Modellexperiment Wasserstoff-Luft Brennstoffzelle

31 Begriffe für das Glossar Abscheidung, von Metallen Abstich Akkumulator Akzeptor-Halbzelle Aluminium, Herstellung Aluminium, Verwendung Anode Anodenschlamm Batterie Bauxit Blei-Akku Brennstoffzelle Daniell-Element Donator-Halbzelle edle Metalle Elektodenprozesse Elektrolyt-Brücke Elektroden Elektrolyse Galvanische Zelle Gangart Gebrauchsmetalle Gestell Gichtgas Halbleiter Hämatit Heißwind Hexagonal dichteste Packung Hochofen Isolator Kathode Konverter Kristallgitter, in Metallen Kryolith Kubisch dichteste Packung Leclanché-Element Leiter Leitungsband Metallbindung, Elektronengas-Mod. Metallbindung, Energiebänder-Mod. Metalle im PSE Nickel-Cadmium Akku Nickel-Eisen Akku Periodensystem der Elemente Raffination, von Kupfer Rast Redoxreihe der Metalle Reduktion, von Eisenoxiden Reduktion, von Kupferoxid Roheisen Schacht Schlacke Schnellarbeitstahl Spannung einer galvanischen Zelle Spannungsreihe der Metalle Stahl Standard-Elektroden-Potential E 0 Standard-Wasserstoff Halbzelle Taschenlampenbatterie unedle Metalle V2A-Stahl Valenzband Weltproduktion von Metallen Wirkungsgrad Zink-Iod Akku Zink-Luft Batterie Zuschlag

32 Übungen zur Einheit Metalle S. 137: A1 bis A3 (Metallabscheidungen, Redoxreihe) S. 190: A1 A3 (Redoxreihe, Galvanische Zellen) S. 149: A1 bis A4 (Spannungsreihe, Redoxpotentiale) S. 171: A1 bis A3 (Leclanché)-Element) S. 175: A1, A2 (Bleiakkumulator) S. 178: a), b), c) (Auswetung des Modellversuchs zur Brennstoffzelle) S. 190: A14, A14 (Kupfer-Raffination) Alle Seitenangaben aus Lit. [2]

33 Lit.[1] Lit.[2] Lit.[3]: Atkins 002_b2.jpg CD-ROM ergänzend zu den Lehrbüchern www. chemiedidaktik. uni-wuppertal.de Online Ergänzungen

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