Elektrochemie. C 11 EuG Inhalt

Transkript

1 1 C 11 EuG Inhalt Elektrochemie 1 Stromerzeugung 1.1 Vorüberlegung: Zink-Kupfer-Lokal-Element a) xidation von Metallen mit Nichtmetallen b) xidation von Nichtmetallanionen mit Nichtmetallen c) xidation von Metallen mit Metallkationen 1.2 Zink-Kupfer-Element (Daniell-Element) a) Das Standardredoxpotenzial b) Prinzip der räumlichen Trennung 1.3 Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle (Alkalische Brennstoffzelle) 1.4 Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle (Feststoffoxid Brennstoffzelle) 1.5 Blei-Blei(IV)-oxid-Zelle (Bleiakkumulator) a) Entladevorgang b) Ladevorgang 2 Korrosion und Korrosionsschutz 2.1 Säure-Korrosion und Sauerstoffkorrosion 2.2 Rosten von Eisen 2.3 Passivierung von Aluminium 2.4 Folgen der Verletzung eines Zink- und eines Zinnüberzugs jeweils auf Eisen

2 2 1 Stromerzeugung 1.1 Vorüberlegung: Zink-Kupfer-Lokal-Element a) xidation von Metallen mit Nichtmetallen V xidation von Magnesium mit Brom x.: Mg Mg 2 2e - Br 2 2e - 2Br - Mg Br Mg 2 2 2Br - xm1 Redm1 xm2 Redm2 b) xidation von Nichtmetallanionen mit Nichtmetallen V xidation von Iodidionen mit Brom x.: 2I - I 2 2e - Br 2 2e - 2Br - 2I - Br 2 I 2 2Br - xm1 Redm1 xm2 Redm2

3 3 c) xidation von Metallen mit Metallkationen x.: Mg Mg 2 2e - Cu 2 2e - Cu Mg Cu 2 Mg 2 Cu xm1 Redm1 xm2 Redm2 1.2 Zink-Kupfer-Element (Daniell-Element) a) Das Standardredoxpotenzial Das Standardpotenzial E 0 (in Volt) ist ein Maß für die Reduktionsmittelstärke. Je kleiner E 0, desto stärker das Reduktionsmittel. E 0 (Zn/Zn 2 ) = - 0,76 V E 0 (Cu/Cu 2 ) = 0,34 V E 0 = 1,1 V also > 0 (da positives Vorzeichen!) => freiwillige Reaktion (falls nicht zu langsam) Gl: s. 1.1 c)

4 4 b) Prinzip der räumlichen Trennung Damit ein Stromfluss stattfindet, müssen zwei Halbelemente (bestehend aus je einem korrespondierenden Redoxpaar) voneinander räumlich getrennt und anschließend leitend miteinander verbunden werden. In wässrigen Lösungen muss ein Ladungsausgleich über eine Ionenwanderung möglich sein. 1.3 Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle (Alkalische Brennstoffzelle) x.: 2H - 2e - / 2 2 4e - 2 4H xm1 Redm1 xm2 Redm2 => Ladungsausgleich über Hydroxidionen in wässriger Lösung Nachteile: - großer Platzbedarf - großes Gewicht - Auslaufen ätzender Flüssigkeit bei Beschädigung

5 5 1.4 Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle (Feststoffoxid Brennstoffzelle) x.: 2-2e - / 2 2 4e xm1 Redm1 xm2 Redm2 => Ladungsausgleich über xidionen, keine echte wässrige Lösung! Nachteil: - erste bei höherer Temperatur sind die xidionen im Gitter beweglich genug (Solid xide Fuel Cell: SFC) Lösung: Polymermembran mit Protonenwanderung zum Ladungsausgleich (Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC)

6 6 1.5 Blei-Blei(IV)-oxid-Zelle (Bleiakkumulator) a) Entladevorgang x.: Pb Pb 2 2e - Pb 4 2e - Pb 2 Pb Pb 4 Pb 2 Pb 2 xm1 Redm1 xm2 Redm2 (Vgl. Da (I) Pb 4 als Feststoff in Form von Pb 2 vorliegt, und (II) xoniumionen und Sulfationen aus dem Elektrolyt Schwefelsäure zur Verfügung stehen, so dass (III) entstehende Pb 2 -Ionen in Form von PbS 4 ausfallen, werden beide Teilgleichungen und die Gesamtgleichung leider etwas komplizierter: S 4 2- x.: Pb PbS 4 2e - Pb 2 2e - 4H 3 2- S 4 PbS 4 6 Pb Pb 2 4H 3 2-2S 4 2PbS 4 6 I II III

7 7 b) Ladevorgang Achtung der Begriff Anode bezeichnet immer den rt der xidationsteilreaktion, Kathode den der Reduktionsteilreaktion. Die aus dem Kapitel Elektrolyse von Salzen bekannte Zuordnung des Plus- Pols als "Anode", zu der sich die negativ geladenen Anionen hinbewegen, stimmt nur im Falle der Elektrolyse, nicht aber bei den Strom erzeugenden exothermen Reaktionsrichtungen! Gl: Umkehrreaktion von a) (Vgl. 2 Korrosion und Korrosionsschutz 2.1 Säure-Korrosion und Sauerstoffkorrosion Die Säure-Korrosion ist eine xidation mit xoniumionen in saurer Lösung, die Sauerstoffkorrosion ist eine xidation mit Sauerstoff in alkalischer (und neutraler) Lösung. z. B. Säure-Korrosion von Zink x.: Zn Zn 2 2e - / 3 2H 6e - 4H 3 3 3H 2 6 Zn 2H 3 Zn 2 2 (vorher / :3) => Bei Reaktion mit unedlen Metallen entsteht elementarer Wasserstoff!

8 8 2.2 Rosten von Eisen x.: Fe Fe 2 2 4e - 2 2H - 2e - 2H - / 2 2Fe 2Fe H - x.: Fe(H) 2 H - Fe(H) 3 e - / 4 2 4e - 2 2H - 2H - 4Fe(H) Fe(H) 3 Durch Wasserabspaltung entsteht poröses Eisen(III)-oxid: 2Fe(H) 2 Fe 2 3 3

9 9 2.3 Passivierung von Aluminium => Es entsteht ein schützender Überzug aus Al(H) Folgen der Verletzung eines Zink- und eines Zinnüberzugs jeweils auf Eisen E 0 (Zn/Zn 2 ) = - 0,76 V E 0 (Fe/Fe 2 ) = - 0,41 V E 0 (Sn/Sn 2 ) = - 0,14 V a) Beschädigter Zink (Zn)-Überzug: - Zink löst sich auf ("pfer-anode"), Eisen bleibt erhalten, solange noch Zink vorhanden ist, selbst bei direkten Kontakt mit Wasser und Sauerstoff => Eisen ist "edler" als Zink b) Beschädigter Zinn (Sn)-Überzug: - Eisen löst sich noch schneller auf, aufgrund der vergrößerten Kontaktfläche, da Zinn Elektronen leitet. => Zinn ist "edler" als Eisen