Chemie für Bastler. Dipl.-Chem. (Univ.) Markus Walther. Lehrstuhl für Theoretische Chemie Computer Chemie Centrum Arbeitsgruppe Prof.

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1 Chemie für Bastler Dipl.-Chem. (Univ.) Markus Walther Lehrstuhl für Theoretische Chemie Computer Chemie Centrum Arbeitsgruppe Prof. Zahn

2 Grundlagen Molarität 1 Beispiel: A + 2B C + D Wie kann ich x Moleküle A und 2x Moleküle B abmessen? 1g A und 1g B enthalten eine unterschiedliche Anzahl von Molekülen Was ist die kleinste Einheit? Das Proton! 1g Wasserstoff enthät 6,022 * 1023 Protonen m(p) ~ 2000*m(e) Elektronenmasse ignorieren m(p) ~ m(n)

3 Grundlagen Molarität 2 Einheiten: 1 Mol = 6,022 * 1023 Teilchen (Avogadro's Zahl) Molare Masse eines Moleküls X = Anzahl der Protonen + Neutronen in einem Molekül X = Masse (in Gramm) von 6,022 * Molekülen von X 1 Proton wiegt 1/(6,022 * 10 23) g Zusammenfassung: 1 Mol eines Atoms/Moleküls/ mit X Protonen und Neutronen wiegt X Gramm und enthält 6,022 * 1023 Atome/Moleküle/ (unabhängig von X) X wird als Molare Masse (Formelzeichen M, Einheit g/mol) bezeichnet Die Anzahl Mole wird als Stoffmenge (Formelzeichen n, Einheit Mol) bezeichnet n = m/m

4 Grundlagen Molarität 3 Gase Gase sind schwer zu wiegen p ~ TN ~ TnR n ~ p/(tr) N = Anzahl der Teilchen, R = Allgemeine Gaskonstante T und p sind messbar, R ist bekannt M kommt nicht vor Unabängig von der Molaren Masse (!) 1 Mol Gas (egal welches!) hat bei 1013 mbar und 0 C ein Volumen von 22,4L

5 Grundlagen Allgemeine Gasgleichung 1 pv = nrt Gilt exakt nur für ideale Gase (also nie) Gute erste Näherung, reicht für viele Rechnungen aus Bosslevel: Van-der-Waals-Gas

6 Grundlagen - Konzentration Verschiedene Arten Konzentration zu bestimmen: Volumen/Volumen L/L Masse/Volumen kg/l Masse/Masse kg/kg Mol/Volumen mol/l Mol/Masse mol/kg Molalität Bosslevel: Aktiviät & Chemisches Potential Molarität

7 Grundlagen - Thermodynamik Alle Systeme möchten sich in ihren energetischen Gleichgewichtszustand begeben Bestimmt die Richtung aber nicht die Geschwindigkeit einer Reaktion Der Weg ist irrelevant, mit gleichen Anfangs- und Endsystemen ist die Energieänderung gleich Hauptsätze der Thermodynamik: 0. Wenn die Systeme A und B im thermischen Gleichgewicht stehen, und gleichzeitig die Systeme B und C im thermischen Gleichgewicht stehten folgt dass die beiden Systeme A und C im thermischen Gleichgewicht stehen. 1. Die Gesamtenergie des Universums ist konstant 2. In jedem spontan ablaufendem Prozess nimmt die Gesamtentropie des Universums zu 3. Die Entropie eines perfekten Kristalls bei 0K ist Null Bosslevel: Gibbsenergie

8 Der Weg von A nach B ist im Regelfall nicht eben Eine Reaktion besitzt immer eine Aktivierungsenerge Kinetik bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit aber nicht die Reaktionsrichtung ABER: Kinetik kann bestimmen, welche von mehreren möglichen Reaktionen abläuft Bosslevel: Helmholtzsche Doppelschicht potentielle Energie Grundlagen - Kinetik Reaktionskoordinate

9 Grundlagen - Redoxreaktionen Redoxreaktionen sind Elektronenübergangsreaktionen Teilreaktionen Oxidation: Elektronenabgabe Reduktion: Elektronenaufnahme Ox: Zn Zn2+ + 2e- Red: Cu2+ + 2e- Cu Gesamt: Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu

10 Grundlagen - Halbzellen Ionen fließen über eine Salzbrücke Elektronen fließen über einen Draht Voltmeter Ionenbrücke Ionen der unedleren Elektrode in Lösung edlere Elektrode Teile einer Redoxreaktion aufgetrennt unedlere Elektrode Ionen der edleren Elektrode in Lösung

11 Grundlagen Elektrochemisches Potential Was ist edel und was ist unedel, und bezogen auf was? Edel = Leicht zu reduzieren, schwer zu oxidieren Unedel = Leicht zu oxidieren, schwer zu reduzieren Spannung zwischen einer Versuchselektrode und einer Wasserstoffnormalelektrode wird als Elektrochemisches Potential bezeichnet

12 Grundlagen Nernstsche Gleichung Das elektrochemische Potential ist Konzentrationsabhängig Potentiale in Tabellen sind immer Standardpotentiale E0 (1mol/l, 273,15K, 105Pa) Universelle Gaskonstante Temperatur Aktivitäten der Reaktanten a Ox c Ox RT RT 0 E=E + ln E + ln z e F a Red z e F c Red 0 Resultierendes Potential Standardpotential Anzahl ausgetauschter Elektronen Faradaykonstante Konzentrationen der Reaktanten

13 Korrosion 1 Werner, das kann doch nicht angehen, dass das hier einfach so in der Gegend rumoxodiert Meister Röhrich Korrosion von Metallen ist immer ein Redoxprozess In der Regel mit Sauerstoff als Oxidationsmittel Leitfähige Lösungen (Salzwasser) beschleunigen den Vorgang Beispiel Klassisches Rosten von Eisen: Fe + O2 FeO2

14 Korrosion 2 Gute Korrosion : Passivierung: Oxid bildet eine feste Schicht auf der Oberfläche die weitere Korrosion verhindert Al, Mg Opferelektroden Opferelektrode ist in elektrischem Kontakt mit dem zu schützenden Metall (Lokalelement), hat negativeres Standardpotential Opferelektrode oxidiert zuerst, Oxidation am Hauptobjekt wird verhindert Aber: Kann auch versehentlich passieren, und geht dann eher schief. Beispiel: Stahlschrauben in Kupfer. Schrauben bilden (unbeabsichtigte) Opferelektrode

15 Batterien - Grundprinzipien Aufgetrenntes Lokalelement 2 Halbzellen, mit Ionenbrücke verbunden Aufladbar und nicht aufladbar ( Primärzelle ) Specific Energy, Wh/kg 400 Li/SOCl 2 Li/SO 2 Li/MnO Zn/Ag 2 O (button) Zn/HgO 100 Mg/MnO 2 Cd/HgO Zn-Carbon C Leistungsdichte in W/kg Zn/Air 300 UltraCap-Kondensator Doppelschicht-Kondensator Elektrolyt-Kondensator Li-Ion-Kondensator Li-Ion-Akkumulator Ni-MH-Akkumulator Ni-Cd-Akkumulator Blei-Akkumulator , Energiedichte in Wh/kg 1000

16 Batterien - Begriffe Leistungsdichte (W/kg): Abrufbare Leistung pro Masseneinheit Energiedichte (Wh/kg): Gespeicherte Energiemenge pro Masseneinheit Kapazität (Wh): Gespeicherte Energiemenge einer Zelle Innenwiderstand (Ohm): Maximaler Entladestrom (I = U/R)

17 Batterien - Entladekurven

18 Batterietypen 1 Zink-Alkali-Manganoxid (Alkaline) Niedriger Preis, hohe Energiedichte (450 kj/kg) Nicht wieder aufladbar Die Standardbatterie Nennspannung: 1,5V Chemie: Zn + 4OH- [Zn(OH)4]2- + 2e- MnO2 + H2O + e- MnO(OH) + OH-

19 Batterietypen 2 Zink-Luft Sehr hohe Energiedichte (1200 kj/kg) Nicht wieder aufladbar Geringer Platzbedarf, z.b. in Hörgeräten Nennspannung: 1,4V Chemie: Zn + 4OH- [Zn(OH)4]2- + 2e- O2 + H2O + 4e- 4OH-

20 Batterietypen 3 Bleiakkumulator Geringe Energiedichte (110 kj/kg) Lange Lebensdauer Geringer Preis Nennspannung: 2,04V Entsorgung problematisch Chemie: Pb + SO42- PbSO4 + 2e- PbO2 + SO H+ + 2e- PbSO4 + 2 H2O

21 Batterietypen 4 Nickel-Cadmium-Akkumulatoren Wiederaufladbarer Ersatz für Alkaline-Zellen (gleiche Bauform, fast gleiche Spannung) Einfach zu laden Geringe Energiedichte (140 kj/kg) Entsorgung problematisch (Cadmium) Chemie: Cd + 2OH- Cd(OH)2 + 2e- 2NiO(OH) + 2H2O + 2e- 2Ni(OH)2 + 2OH-

22 Batterietypen 5 Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren Möglicher Ersatz für Alkalinebatterien Nennspannung 1,32V Höhere Energiedichte als NiCd (280 kj/kg) Geringer Preis Benötigen spezielle Ladegeräte Hohe Selbstentladung Chemie: MH + OH- M + H2O + e- NiO(OH) + H2O + e- Ni(OH)2 + OH-

23 Batterietypen 6 Li-Ionen-Akkumulatoren Sehr hohe Energiedichte (~600 kj/kg) Separator Cu Al + Li Lange Lebensdauer Hohe Leistungsdichte Hoher Preis + Li Legende Kohlenstoff (Graphit) Brandgefahr bei Beschädigung und Überladung Spezielle, komplizierte Ladeverfahren nötig Chemie: LinCm Cm + n Li+ + n e- Li(a-n)MxOx + n Li+ + n e- LiaMxOx + Li nicht-wässrige Elektrolytlösung Metall (Cobalt) Lithium Ladevorgang Sauerstoff Entladevorgang

24 Ladeverfahren 1 I Konstantstrom IK t Konstantspannung I IL tl Konstantstrom gepulst (Pulsladen) t I II t Konstantstrom mit Gegenstrom (Reflexladen) I +IR t -I E

25 Ladeverfahren 2 Konstantstrom-Konstantspannung Konstantstrom am Ladebeginn um Stromspitzen zu vermeiden, danach Konstantspannung Konstantstrom-Konstantspannung mit Erhaltungsladung Nach Ladeschluss wird mit einem geringen Strom weitergeladen, der in etwa der Selbstentladung entspricht

26 Ladeverfahren 3 Ladeabschlusserkennung Temperaturüberwachung Spannungsüberwachung Zellspannung (Ladeschlussspannung erreicht) Ladespannung (-du-erkennung)

27 Ladeverfahren 4 Li-Ionen-Akkumulatoren Benötigen ein sehr komplexes Ladeverfahren Strombegrenzung am Anfang Ladeschlussspannungsüberwachung für jede Zelle einzeln (Balancing) Temperaturüberwachung Vorsicht bei Selbstbauprojekten Brandgefahr

28 Platinenätzen 1 Ziel: Selektiver Abtrag von Kupfer Zwei Prozessschritte: Auftrag einer Schutzschicht Fotolack + Belichtung + Entwicklen Aufbügeln von Lasertoner Oldskool: Aufrubbeln von vorgefertigten Symbolen, Leiterbahnen mit Edding Ätzen des Kupfers Oxidativer Abtrag von Kupfer Cu Cu2+ + 2e-

29 Platinenätzen 2 Oxidationsmittel: Eisen-III-Chlorid: FeCl3 Natriumperoxodisulfat: Na2S2O8 Fe3+ + e- Fe2+ S2O e- 2SO42- Salzsäure + Wasserstoffperoxid: HCl + H2O2 H2O2 + 2H+ + 2e- 2H2O (H+ aus der Salzsäure) Schwefelsäure + Wasserstoffperoxid: H2SO4 + H2O2 Piranha-Solution Schnell, aber sehr gefährlich. Finger weg! H2O2 + 2H+ + 2e- 2H2O (H+ aus der Schwefelsäure)

30 Platinenätzen 3 Kupferabtrag: Schichtweise

31 Oberflächennachbeaarbeitung Chemisch Zinn Sn2+ + Cu Sn + Cu2+ Aber: E0: +0.35V E0: -0.14V Kupferionen werden Komplexiert Cu2+ Cu Sn2+ Sn Thioharnstioff als Komplexierungsreagenz Niedrige Cu2+-Konzentration verschiebt das Gleichgewicht nach rechts (NernstGleichung) Vorsicht: Thioharnstoff steht im Verdacht, krebserregend zu sein Bosslevel: ENIG (Electroless nickel plated gold)

32 And now for something completely different

33 Flüssigkristalldisplays 1 Flüssigkristall Flüssige Phase Zeigt aber Anisotropien ( Richtungsabhängigkeiten ) ähnlich einem Kristallgitter Optische Aktivität Relevant für Displays Elektrisch schaltbar O N

34 Flüssigkristalldisplays 2 Schaltbare Drehung der Polarisierung wird als optischer Transistor (Schalter) genutzt

35 The End