1. GRUNDLAGEN DER CHEMIE 2 1.1 Stoffe 2 1.2 Gemenge 2 1.2.1 Chemische Verbindungen 2 1.2.2 Elemente und Atome 3 1.2.3 Periodensystem 4 1.2.4 Molekühle 5 1.3 Bindungsarten 5 1.3.1 Atombindung 6 1.3.2 Polarisierte Atombindung 6 1.3.3 Metallbindung 7 1.4 Kohäsion, Adhäsion 7 1.5 Stoffgruppen 7 1.5.1 Oxide 7 1.5.2 Säuren 7 1.5.3 Basen 8 1.5.4 Neutralisation 9 1.5.5 ph Wert 9 1.5.6 Salze 9 1.5.7 Carbide 9 1.5.8 Wichtige Elemente 10 1.6 Elektro- 11 1.6.1 Elektrolyte, Dissoziation, Elektrolyse 11 1.6.2 Technische Anwendungen der Elektrolyse 14 1.6.3 Elektrochemisches Äquivalent 15 1.6.4 Spannungsreihe (galvanisches Element) 16 1.6.5 Galvanische Elemente 17 1.6.6 Elektrolytische Polarisation 18 1.6.7 Verschiedene Primärelemente 18 1.6.8 Galvanische Sekundärelemente 18 1.6.9 Entstehung von Bleiakkumulatoren 20 1.6.10 Wartung von Bleiakkumulatoren 25 1.6.11 Stahlakkumulatoren 25 1.6.12 Elektrisches Verhalten und elektrische Größen von elektrochemischen Elementen 26 1.6.13 Schaltung von elektrischen Spannungserzeugern 28 1.6.14 Parallelschaltung 29 1.6.15 Anpassungen 29 1.6.16 Korrosion 30 1.6.17 Arten von elektrochemischer Korrosion 30 1.6.18 Korrosionsschutz 31 Seite 1 von 34
Wasserstoff + Sauerstoff = Wasser Im Gegensatz dazu ist die Analyse die Zerlegung einer chemischen Verbindung. Wasser = Wasserstoff + Sauerstoff Quecksilberoxid = Quecksilber + Sauerstoff Chemische Reaktionen können Energie freisetzen oder welche verbrauchen. 1.2.2 Elemente und Atome Ein Element ist ein Stoff, dessen Atome die gleiche Kernladungszahl haben. Das bedeutet, ein Element ist ein Stoff, der chemisch nicht weiter zerlegt werden kann. K-Schale Elemente Stoffe Eisen + Schwefel = Eisensulfid Wasserstoff + Sauerstoff = Wasser Atome sind die kleinsten Teilchen der Elemente, sie sind auf chemischem Wege nicht mehr teilbar. Protonen Elektronen Neutronen Atomkern L-Schale In der Abbildung sieht man das Bohrsche Atommodel. Es besteht aus einem Atomkern, in dem die positiven Protonen und die neutralen Neutronen enthalten sind. Der Atomkern ist von 7 Schalen umgeben. Auf diesen Schalen sind die negativen Elektronen vertreten. Auf den Platz finden. K-Schale = 2 Elektronen L-Schale = 8 Elektronen M-Schale = 18 Elektronen N-Schale = 32 Elektronen O-Schale = 32 Elektronen P-Schale = 32 Elektronen Q-Schale = 32 Elektronen Die Schalen K und L müssen voll besetzt sein um die nächste Schale zu beginnen. Ab der Schale M reichen 8 Elektronen, damit die Schale als voll gilt. Stickstoff Atom Ein Atomkern kann man sich als kugelähnliches Gebilde vorstellen mit einem Durchmesser von ungefähr 10-14 m. Seite 3 von 34
1.2.4 Moleküle Moleküle bestehen aus mindestens 2 Atomen. 4H + O 2 = 2 H 2 O Molekül Wasserstoff + Sauerstoff = Wasser 2 Mg + O 2 = 2 MgO Molekül Magnesium + Sauerstoff = Magnesiumoxid Molekular vorkommende Elemente sind: 1.3 Bindungsarten Sauerstoff; Wasserstoff; Stickstoff; Chlor Die lonenbindung kommt dadurch zustande, weil alle Atome die Edelgaskonfiguration anstreben, d.h. sie versuchen eine komplett besetzte Außenschale zu erhalten. Die Edelgase finden wir in der 8. Gruppe des Periodensystems. Atome mit 1-3, also wenig Elektronen auf der Außenschale, können diese leicht abgeben und Atome mit vielen (5-7) Elektronen auf der Außenschale können Elektronen aufnehmen, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Durch dieses Aufnehmen und Abgeben von Elektronen entsteht ein ladungsmäßiges Ungleichgewicht, da die Anzahl der Protonen und Elektronen nicht mehr übereinstimmt. Daraus folgt: Elektronenabgabe: positiv geladenes Atom Elektronenaufnahme: negativ geladenes Atom Es entstehen geladene Atome, diese bezeichnet man als Ionen. Natrium und Chlor Protonenüberzahl: Elektronenüberzahl: positives Ion negatives Ion Wenn das Element Natrium ein Elektron an des Element Chlor abgibt, erhalten beide Elemente die Edelgaskonfiguration und werden zu Ionen. Da sich aber positive und negative Ladungen anziehen, verbinden sich diese beiden Elemente zu einem Ionenkristall. Diese Ionenbindung heißt dann Natriumchlorid. Na + + Cl - = Na + Cl - = NaCl Seite 5 von 34
Mi n u s p o l A n o d e galvanisches Element "liefert" elektrischen Strom Pluspo l Kathode Mi nu s po l K a th o d e Elektrolysezelle "verbraucht" elektrischen Strom Pluspol Anode Daraus folgt: Im galvanischen Element In der Elektrolysezelle - Minuspol = Anode - Pluspol = Kathode - Minuspol = Kathode - Pluspol = Anode Bisher ging es um Elektrolysevorgänge, bei denen die Anode nicht angegriffen wird. Diese ist dann z.b. aus Platin, Iridium, Gold oder Tantal bzw. Kohlenstoff. Bei der technischen Nutzung der Elektrolyse wird bewusst ein Material verwendet, welches sich auflöst. Das in Lösung gegangene Material, scheidet sich dann an der Kathode nieder. Daher wird bei der Elektrolyse mit angreifbarer Anode die Anode auch als Lösungselektrode Kathode als Abscheidungselektrode bezeichnet. Bei der Elektrolyse kann an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff abgeschieden werden. Ein Gemisch dieser Gase bildet das hochexplosive Knallgas. Der bei der Elektrolyse fließende Strom ist nicht der Strom welcher zur direkten Elektrolyse benötigt wird, sondern höher, d.h. bei der Elektrolyse wandelt sich ein Teil des Stromes in Wärme um, des Weiteren wird ein Teil bei der Zerlegung von Wasser benötigt. Der Nutzstrom ist demzufolge stets geringer als der Gesamtstrom. Das Verhältnis daraus wird auch als Stromausbeute bei der Elektrolyse genannt. Seite 13 von 34
Die elektrochemisch abgeschiedene Stoffmasse ist umso größer, je größer das elektrochemische Äquivalent und je größer die im Stromkreis wandernde elektrische Ladung ist. Daraus ergibt sich das Faradayische Gesetz. Faradayische Gesetz: m = c I t (mg/as As = mg) m = abgeschiedene Stoffmasse m = c Q c = elektrochemisches Äquivalent Q = elektrische Ladung I = Stromstärke t = Zeit Welche Kupfermasse wird durch einen Gleichstrom I von 150A aus einer Kupfersulfatlösung (CuSO 4 ) in einer Zeit von t = 2h abgeschieden? geg: Cu ++ ; I = 150A; t = 2h ges: m mg m c I t 0,329 150A 2 3600s 355000mg 355g 0,355kg As 1.6.4 Spannungsreihe (galvanisches Element) Metall Standartpotential in V Lithium - 3,05 Cäsium - 3,02 Kalium - 2,92 Kalzium - 2,76 Natrium - 2,71 Magnesium - 2,34 Aluminium - 1,67 Mangan - 1,05 Zink - 0,76 Chrom - 0,56 Eisen, Cadmium - 0,44 Kobalt - 0,28 Nickel - 0,23 Zinn - 0,14 Blei - 0,12 Kupfer +0,35 Silber + 0,80 Quecksilber + 0,85 Gold + 1,70 Unedel Die Polarität und Höhe der Spannung jedes Metalls kann man in der Lösung seines Salzes bei festgelegter Konzentration bestimmen, und zwar gegenüber einer Elektrode die von Wasserstoff umspült ist (Normalelektrode bei 25 C und 1013mbar). Edel Seite 16 von 34
Vorgänge bei Entladen Entladestrom 2 e- 2H+ 2e- -- PbO SO Pb 4 2 2H+ -- SO4 Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) ist in Wasserstoffionen (H + ) und Säurerestionen (SO -- 4 ) dissoziiert. Blei (Pb) ist gegenüber dem Bleidioxid (PbO 2 ) unedler. Zur Bleielektrode (Pb) wandern Säurerestionen (SO -- 4 ) => an der Elektrodenoberfläche bildet sich das unlösliche Bleisulfat (PbSO 4 ), dabei bleiben Elektronen übrig => die Elektrode lädt sich negativ auf Wasserstoffionen (H + ) bewegen sich zur Bleidioxidelektrode (PbO 2 ). Bleidioxid, Wasserstoff und Schwefelsäure verbinden sich ebenfalls zu Bleisulfat (PbSO 4 ), dabei werden Elektronen verbraucht. Die Elektrode lädt sich positiv auf. Schwefelsäure wird verbraucht und Wasser freigesetzt, Säuredichte und Säurekonzentration nehmen ab. Vorgänge bei Laden 2H O PbSO 2 PbSO 4 4 + E lektrode - Elektrode + - Ladegerät Ladestrom 2 e- 2H+ 2e- -- P b O SO Pb 4 2 2H+ -- SO 4 P b S O 2H O PbSO 2 4 4 + E le kt r od e - Elektrode Zur negativen Elektrode (PbSO 4 ) wandern Wasserstoffionen (H + ). Chemische Reaktion ergibt Blei (Pb) und Schwefelsäure (H 2 SO 4 ). Die dazu erforderlichen Elektronen kommen vom negativem Pol des Ladegerätes. Zur positiven Elektrode (PbSO 4 ) gelangen Säurerestionen (SO 4 -- ). Seite 21 von 34
Stromanpassung R L << R i Bei der Stromanpassung erhält man einen hohen Laststrom. Der größte Teil der Quellenspannung fällt am Innenwiderstand der Spannungsquelle ab. Der Wirkungsgrad ist klein. 1.6.16 Korrosion Korrosion ist die Zerstörung (für den gedachten Verwendungszweck unbrauchbar werden) von Werkstoffen durch chemische oder elektrochemische Vorgänge. Entsprechend unterscheidet man zwischen chemischer und elektrochemischer Korrosion. Bei der allgemeinen Korrosion reagiert das Metall mit Sauerstoff zu einem Metalloxid. Die Korrosion ist ein Oxidationsvorgang und geht immer von der Metalloberfläche aus. Die chemische Korrosion entsteht im Zersetzen von Metallen durch Säuren, Laugen oder Salzlösungen und oxidieren durch Luftsauerstoff. Qxidieren von erhitztem Stahl (Hammerschlag) Verbinden von Essigsäure mit Kupfer (Grünspan) Verbinden von schwefelhaltigen Gasen mit Silber (schwarzes Anlaufen von Silber) Zersetzen von Blei und Aluminium durch Laugen (z.b. gelöschten Kalkputz) Grundsätzlich sind glatte Oberflächen korrosionsbeständiger als raue, da sie dem Elektrolyten und dem Sauerstoff weniger Angriffsfläche bieten. 1.6.17 Arten von elektrochemischer Korrosion 1.6.17.1 Berührungskorrosion (Kontaktkorrosion) Die Berührungskorrosion tritt an der Berührungsstelle von zwei verschiedenen Metallen in Verbindung mit einem Elektrolyten auf, d.h. es entsteht ein kurzgeschlossenes Element. Das unedle Metall geht in Lösung. Die Korrosion hängt von der Entfernung der beteiligten Metalle in der Spannungsreihe, von der Konzentration des Elektrolyten und der Löslichkeit des Luftsauerstoffs im Elektrolyten ab (wirkt als Depolarisator). Beim Übergang von einer Aluminiumleitung auf Kupferleitung in Verbindung mit Luftfeuchtigkeit entsteht Berührungskorrosion. Das Aluminium wird zerstört. Abhilfe: AlCu- Klemmen 1.6.17.2 Interkristalline Korrosion Interkristalline Korrosion tritt auf, wenn Metalle aus verschiedenen Kristallen bestehen (z.b. Legierungen, Stahl). Seite 30 von 34
oder durch eine Spannungsquelle, die einen Schutzstrom in die gewünschte Richtung treibt, bewirken. Magnesium als Opferanode I Eisen-Öltank als E i s Kathode en - Ö l t ank al s K atode Magnesium als aktive M a g nes Opferanode i um als ak t i v e O p fe r anode Das Magnesium bildet mit dem Eisen ein galvanisches Element. Durch den Kurzschluss auf der oderirdischen Seite fließt durch den Elektrolyten (Erdreich) ein Schutzstrom von der Opferanode zum Eisen. Die Opferanode wird hierbei in Lösung gehen. z.b. Schutzstrom durch eine Gleichspannungsquelle Eisen-Öltank E i s en - Ö l t ank als s Kathode K atode Graphitanode (Fremdstromanode) M a g nes i um als ak t i v e O p fe r anode Bei dieser Anwendung wird eine Spannung an die Anode und die Kathode gelegt, damit der Strom vom edleren Graphit (Kohlenstoff) zum unedleren Eisen fließt. Hier wird der Anodenverbrauch sehr gering gehalten. Durch einen isolierenden Überzug auf dem zu schützenden Metall kann der Schutzstrom klein gehalten werden, da er nur noch die Stellen des Metalls schützen muss, an denen der Überzug (z.b. Bitumenmasse) nicht dicht gegen das Erdreich abschließt. Eine Besonderheit ist beim elektrischen Korrosionsschutz von Aluminium zu beachten. Das Aluminium muss als Anode verwendet werden, da der Anschluss an den Pluspol der Spannungsquelle die dort entstehende Oxidschicht durch den entstehenden Sauerstoff verstärkt. Am Minuspol würde der entstehende Wasserstoff diese Oxidschicht abbauen und damit das Aluminium freilegen. Seite 33 von 34