Thema: Chemie 1. GRUNDLAGEN DER CHEMIE 2

Thema:
Chemie
1.
GRUNDLAGEN DER CHEMIE
2
1.1
Stoffe
2
2
2
3
4
5
1.3
Bindungsarten
1.3.1 Atombindung
1.3.2 Polarisierte Atombindung
1.3.3 Metallbindung
5
6
6
7
1.4
Kohäsion, Adhäsion
7
1.5
Stoffgruppen
1.5.1 Oxide
1.5.2 Säuren
1.5.3 Basen
1.5.4 Neutralisation
1.5.5 pH – Wert
1.5.6 Salze
1.5.7 Carbide
1.5.8 Wichtige Elemente
7
7
7
8
9
9
9
9
10
pr
ob
e
1.2
Gemenge
1.2.1 Chemische Verbindungen
1.2.2 Elemente und Atome
1.2.3 Periodensystem
1.2.4 Molekühle
11
11
14
15
16
17
18
18
18
20
25
25
26
28
29
29
30
30
31
Le
se
1.6
Elektro- Chemie
1.6.1 Elektrolyte, Dissoziation, Elektrolyse
1.6.2 Technische Anwendungen der Elektrolyse
1.6.3 Elektrochemisches Äquivalent
1.6.4 Spannungsreihe (galvanisches Element)
1.6.5 Galvanische Elemente
1.6.6 Elektrolytische Polarisation
1.6.7 Verschiedene Primärelemente
1.6.8 Galvanische Sekundärelemente
1.6.9 Entstehung von Bleiakkumulatoren
1.6.10
Wartung von Bleiakkumulatoren
1.6.11
Stahlakkumulatoren
1.6.12
Elektrisches Verhalten und elektrische Größen von elektrochemischen Elementen
1.6.13
Schaltung von elektrischen Spannungserzeugern
1.6.14
Parallelschaltung
1.6.15
Anpassungen
1.6.16
Korrosion
1.6.17
Arten von elektrochemischer Korrosion
1.6.18
Korrosionsschutz
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Dipl.-Ing. Michael Meering
Marcel Hartmann
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Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte für den Fall der Patenterteilung,
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Thema:
Chemie
Beispiel:
Wasserstoff
+
Sauerstoff
=
Wasser
Im Gegensatz dazu ist die Analyse die Zerlegung einer chemischen Verbindung.
Beispiel:
Wasser
Quecksilberoxid
=
=
Wasserstoff
Quecksilber
+
+
Sauerstoff
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.
+
+
Stoffe
Schwefel
Sauerstoff
=
=
Eisensulfid
Wasser
pr
ob
Elemente
Eisen
Wasserstoff
e
Beispiel:
Atome sind die kleinsten Teilchen der Elemente, sie sind auf chemischem Wege
nicht mehr teilbar.
Le
se
Protonen
Elektronen
Neutronen
Atomkern
K-Schale
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
L-Schale
M-Schale
N-Schale
O-Schale
P-Schale
Q-Schale
=
=
=
=
=
=
=
2
8
18
32
32
32
32
Elektronen
Elektronen
Elektronen
Elektronen
Elektronen
Elektronen
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.
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Thema:
1.2.4
Chemie
Moleküle
Moleküle bestehen aus mindestens 2 Atomen.
Beispiel:
4H
Wasserstoff
+
O2
+ Sauerstoff
=
=
2 H2O
Wasser
Molekül
2 Mg
Magnesium
+
O2
+ Sauerstoff
=
=
2 MgO
Molekül
Magnesiumoxid
Molekular vorkommende Elemente sind:

1.3
Sauerstoff; Wasserstoff; Stickstoff; Chlor
Bindungsarten
e
Die lonenbindung kommt dadurch zustande, weil alle Atome die Edelgaskonfiguration anstreben, d.h. sie versuchen eine komplett besetzte Außenschale zu
erhalten.
pr
ob
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.
Elektronenabgabe:
Elektronenaufnahme:
Le
se
Daraus folgt:
positiv geladenes Atom
negativ geladenes Atom
Es entstehen geladene Atome, diese bezeichnet man als Ionen.
Protonenüberzahl:
Elektronenüberzahl:
positives Ion
negatives Ion
Beispiel:
Natrium und Chlor
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+
+
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Cl-
=
Na+Cl-
= NaCl
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Chemie
Minuspol
Anode
Minuspol
Kathode
Pluspol
Kathode
galvanisches Element
"liefert" elektrischen Strom
Elektrolysezelle
"verbraucht" elektrischen Strom
- Minuspol = Anode
- Pluspol = Kathode
pr
ob
Daraus folgt: Im galvanischen Element
Pluspol
Anode
e
Thema:
In der Elektrolysezelle
- Minuspol = Kathode
- Pluspol = Anode
Le
se
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.
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Thema:
Chemie
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
Q
I
t
=
=
=
=
=
m=c·I·t
(mg/As · As = mg)
abgeschiedene Stoffmasse
elektrochemisches Äquivalent
elektrische Ladung
Stromstärke
Zeit
m=c·Q
Beispiel:
Welche Kupfermasse wird durch einen Gleichstrom I von
Kupfersulfatlösung (CuSO4) in einer Zeit von t = 2h abgeschieden?
150A
aus
einer
1.6.4
mg
 150A  2  3600s  355000mg  355g  0,355kg
As
pr
ob
m  c  I  t  0,329
e
geg: Cu++; I = 150A; t = 2h
ges: m
Spannungsreihe (galvanisches Element)
Metall
Le
se
Lithium
Cäsium
Kalium
Kalzium
Natrium
Magnesium
Aluminium
Mangan
Zink
Chrom
Eisen, Cadmium
Kobalt
Nickel
Zinn
Blei
Kupfer
Silber
Quecksilber
Gold
Standartpotential in V
- 3,05
- 3,02
- 2,92
- 2,76
- 2,71
- 2,34
- 1,67
- 1,05
- 0,76
- 0,56
- 0,44
- 0,28
- 0,23
- 0,14
- 0,12
+0,35
+ 0,80
+ 0,85
+ 1,70
Unedel
Edel
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).
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Chemie
Vorgänge bei Entladen
Entladestrom
2H+
2e PbO2
--
SO 4
2H+
--
SO4
2H 2O
PbSO4


e
Schwefelsäure (H2SO4) ist in Wasserstoffionen (H+) und Säurerestionen (SO4--)
dissoziiert.
Blei (Pb) ist gegenüber dem Bleidioxid (PbO2) unedler.
Zur Bleielektrode (Pb) wandern Säurerestionen (SO4--) => an der Elektrodenoberfläche bildet sich das unlösliche Bleisulfat (PbSO4), dabei bleiben Elektronen
übrig => die Elektrode lädt sich negativ auf
Wasserstoffionen (H+) bewegen sich zur Bleidioxidelektrode (PbO2).
Bleidioxid, Wasserstoff und Schwefelsäure verbinden sich ebenfalls zu Bleisulfat
(PbSO4), dabei werden Elektronen verbraucht. Die Elektrode lädt sich positiv auf.
Schwefelsäure wird verbraucht und Wasser freigesetzt, Säuredichte und Säurekonzentration nehmen ab.
Le
se

4
pr
ob


PbSO
- Elektrode
+ E lektrode

2e-
Pb
Vorgänge bei Laden
+
Ladegerät
-
Ladestrom
2ePbO2
PbSO4
+ Elektrode


2H+
-SO4
2H+
Pb
2e-
--
SO4
2H2O
PbSO4
- Elektrode
Zur negativen Elektrode (PbSO4) wandern Wasserstoffionen (H+). Chemische
Reaktion ergibt Blei (Pb) und Schwefelsäure (H2SO4). Die dazu erforderlichen
Elektronen kommen vom negativem Pol des Ladegerätes.
Zur positiven Elektrode (PbSO4) gelangen Säurerestionen (SO4--).
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Chemie
RL << Ri
Stromanpassung
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.
Beispiel:
pr
ob
e
 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.
Le
se
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).
Beispiel:
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).
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oder durch eine Spannungsquelle, die einen Schutzstrom in die gewünschte Richtung
treibt, bewirken.
Beispiel:
Magnesium als Opferanode
I
Eisen-Öltank
EisKathode
en- Öltank
als
Magnesium als
Magnes
ium als
aktive
Opferanode
als Katode
e
aktive Opferanode
pr
ob
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.
Le
se
z.B. Schutzstrom durch eine Gleichspannungsquelle
Eisen-Öltank
EisKathode
en- Öltank
als
als Katode
Graphitanode
Magnesium als
(Fremdstromanode)
aktive Opferanode
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.
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