Experimentelle Einführung in die Elektrochemie: Grundlagen - Konzepte - Theorie

550 Pages·2020·13.368 MB·German

by  Joachim Dohmann

Joachim Dohmann
Experimentelle
Einführung in
die Elektrochemie
Grundlagen · Konzepte · Theorie
Experimentelle Einführung in die Elektrochemie
Joachim Dohmann
Experimentelle Einführung
in die Elektrochemie
Grundlagen – Konzepte – Theorie
Joachim Dohmann
Fachbereich Umweltingenieurwesen
Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe
Lemgo, Deutschland
ISBN 978-3-662-59762-0 ISBN 978-3-662-59763-7 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-59763-7
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Planung/Lektorat: Michael Kottusch
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Vorwort
Wie funktioniert eine Batterie? Wieviel „Strom“ kann eine Batterie speichern und wie
wird das gemessen? Warum wird eine Batterie beim Entladen heiß? Wie viel Energie
benötigt man für die Galvanik oder eine Elektrolyse? Wie gewinnt man Wasserstoff?
Seit den ersten elektrochemischen Errungenschaften vor fast 200 Jahren durch
Michael Faraday hat die Elektrochemie keineswegs ihre Aktualität eingebüßt. Sie liefert
Grundlagen zum allgemeinen Verständnis der Chemie, sie ist Basis für zahlreiche Unter-
suchungsmethoden und chemische Herstellungsverfahren.
Die Elektrochemie wird eine sehr hohe Bedeutung bei der Gestaltung zukünftiger
Energieversorgungssysteme erlangen. Zu nennen ist die Batterietechnik für die Elektro-
mobilität und für die Speicherung von Strom aus der Photovoltaik. Unumgänglich ist
die Elektrochemie zukünftig auch bei der Herstellung synthetischer Kraftstoffe. Deren
Herstellverfahren beginnen mit der regenerativen Gewinnung elektrischen Stroms, der
zur Gewinnung von Wasserstoff als Rohstoff für die Kraftstoffe dient. Die Elektrochemie
berührt damit unmittelbar einige der wichtigsten Zukunftsfragen.
Die Elektrochemie ist keine eigenständige Wissenschaft. Sie ist mit der anorganischen
Chemie und der physikalischen Chemie, der Verfahrenstechnik, mit der Thermodynamik
sowie mit einigen Gebieten der Physik intensiv verwoben. Zum Verständnis elektro-
chemischer Systeme sind ferner auch elementare Kenntnisse in der Elektrotechnik bzw.
der Elektronik hilfreich. Insbesondere die zukünftigen Anwendungen schaffen einen
Bezug zu den Ingenieurwissenschaften.
Diese Vernetzung mit angrenzenden Wissenschaften macht es den Lernenden nicht
gerade einfacher. Das vorliegende Lehrbuch wagt daher den Versuch, Studierenden den
ersten Zugang zu elektrochemischen Fragestellungen zu ermöglichen, und zwar ohne
bereits über Kenntnisse in den genannten, angrenzenden Wissenschaftsdisziplinen ver-
fügen zu müssen. Es wendet sich insbesondere an Studienanfänger in den Ingenieur-
wissenschaften. Vorkenntnisse in Chemie oder Thermodynamik werden ausdrücklich
nicht vorausgesetzt.
Das Thema wird schrittweise erschlossen: Was sind Atome? Was sind chemische
Reaktionen? Welche Eigenschaften haben Elektronen und Ionen? Wie entstehen freie
Ladungsträger? Und was löst die Bewegung von Ladungsträgern aus? Neben einem
V
VI Vorwort
Einblick in elektrochemische Untersuchungsmethoden werden in einem eigenen Kapitel
Elektrochemische Verfahren vorgestellt. Das Buch schließt mit einem Kapitel über
Spannungsquellen, zu denen z. B. Batterien und Akkumulatoren zählen.
Der Stoff ist dabei so angeordnet, dass zum Verständnis erforderliche Grundlagen
in den vorangegangenen Abschnitten angeboten werden. Nach einer Erklärung der
theoretischen Hintergründe wird der Aufbau eines Experimentes detailliert beschrieben.
Die Experimente sind, von einigen wenigen Ausnahmen abgesehen, zum Nachbau
geeignet. Bei der Darstellung und Interpretation der Versuche werden Hinweise zur
Relevanz gegeben, z. B. in Hinblick auf die technische oder wirtschaftliche Bedeutung.
Dem Titel des Buches entsprechend dient das Buch dazu, einen ersten Zugang zur
Elektrochemie zu finden. Dabei wird eine Tiefe angestrebt, die es Studierenden in den
ersten Semestern erlaubt, die jeweiligen Vorgänge zu verstehen. Bei der Festlegung der
inhaltlichen Reihenfolge wurde berücksichtigt, dass der Stoff verständlich bleibt und das
Lernen entlang einer systematischen Reihenfolge leichter fällt. Die einzelnen Gebiete
werden anhand von Übungsaufgaben und deren Lösungen vertieft.
Bei der Auswahl von Chemikalien und Geräten für die Experimente wurde darauf
geachtet, dass der Aufwand begrenzt, die Versuche praktikabel und die Versuchs-
durchführung für Lernende interessant bleiben. Die vorgestellten Experimente wurden
ausnahmslos im eigenen Labor getestet. Lehrende – und unter fachlich qualifizierter Auf-
sicht auch Lernende- an Gymnasien, Hochschulen und Universitäten sollen durch das
Lehrbuch ermutigt werden, einzelne Experimente nachzustellen. Vielleicht enthält das
Buch auch Anregungen für eigene Experimente.
Dank gilt der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe, insbesondere für die
Bereitstellung von Labor, Geräten, Materialien, personelle Unterstätzung und für die
gewährten Freiräume. Besonderer Dank gilt den Mitarbeitern des Labors „Thermo-
dynamik und Energietechnik“, die unermüdlich am Gelingen der Experimente mit-
gewirkt haben.
Lemgo Joachim Dohmann
15.07.2019
Haftungsausschluss
Durch den Umgang mit chemischen Stoffen, Verfahren, Geräten usw. entstehen in
gewissem Umfang Gefahren für Menschen, für die Ausstattung oder auch die Umwelt.
Beispielsweise entstehen bei einigen Elektrolysen Wasserstoff, der prinzipiell brennbar
ist oder auch Chlorgas, das unbestreitbar giftig ist. Der Autor hält es aber für wichtig,
sich in der Lehre mit diesen Gefahren kritisch auseinander zu setzen. Es ist immer sinn-
voll, die eingesetzten Substanzmengen möglichst gering zu halten. Es gilt der Grund-
satz, Gefährdendes von Gefährdetem wirkungsvoll zu trennen. Wo dies nicht möglich ist,
sollte auf die Durchführung von Experimenten verzichtet werden.
Haftungsansprüche jeglicher Art gegenüber dem Autor oder dem Verlag können
weder aus den Beschreibungen noch aus fehlenden Beschreibungen in diesem Lehrbuch
abgeleitet werden. Autor und Verlag übernehmen keine Haftung für Personenoder Sach-
schäden, die bei der Nachahmung von Versuchen entstehen können.
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Atome und Bindungen ........................................... 1
1.1 Atomkern ................................................ 1
1.2 Atomhülle ............................................... 4
1.2.1 Atomhülle des Wasserstoffs .......................... 4
1.2.2 Elektronenschalen ................................. 7
1.2.3 Atomhülle des Natriums ............................ 8
1.2.4 Atomradien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.5 Ionisation ........................................ 14
1.3 Bindungen ............................................... 17
1.3.1 Kovalente Bindung ................................. 17
1.3.2 Ionenbindung ..................................... 20
1.4 Versuche ................................................. 25
1.4.1 Wasserstoffspektrum ............................... 25
1.4.2 Flammenfärbung .................................. 28
1.4.3 Versuche zu chemischen Bindungen ................... 31
1.5 Übungsaufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Literatur ........................................................ 42
2 Stöchiometrie ................................................... 43
2.1 Masse und Stoffmenge ...................................... 43
2.2 Reaktionen ............................................... 47
2.3 Übungsaufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Literatur ........................................................ 65
3 Grundbegriffe der Elektronik ..................................... 67
3.1 Einheitensystem ........................................... 67
3.2 Physikalische Größen ....................................... 68
3.3 Messung elektronischer Größen .............................. 77
Literatur ........................................................ 78
IX
X Inhaltsverzeichnis
4 Generierung von Ladungsträgern .................................. 79
4.1 Photoeffekt ............................................... 80
4.1.1 Theorie des äußeren Photoeffekts ..................... 80
4.1.2 Versuchsaufbau Vakuum-Photozelle ................... 82
4.1.3 Ergebnisse Photoeffekt .............................. 84
4.2 Ladungsträger in Halbleitern ................................. 86
4.2.1 Leitungsverhalten von Halbleitern ..................... 86
4.2.2 Experiment NTC-Widerstand ........................ 92
4.3 Elektrische Leitfähigkeit von Graphit .......................... 94
4.3.1 Graphit .......................................... 94
4.3.2 Versuchsaufbau Graphituntersuchung .................. 96
4.3.3 Ergebnisse Graphitresistivität ........................ 98
4.4 Lichtbogen-Plasma ........................................ 101
4.4.1 Physikalische Grundlagen des Lichtbogens .............. 101
4.4.2 Versuchsaufbau DC-Lichtbogenplasma ................. 107
4.4.3 Versuchsergebnis .................................. 108
4.4.4 Eyde-Birkeland-Verfahren ........................... 110
4.4.5 Versuch zum Eyde-Birkeland-Verfahren ................ 112
4.4.6 Versuch zum Elektrodenschweißen .................... 115
4.5 Flamm-Ionisations-Detektor ................................. 117
4.5.1 Flammenionisation ................................. 117
4.5.2 Ionisationsdetektor ................................. 119
4.5.3 Verweilzeitverhalten ................................ 120
4.5.4 Versuchsdurchführung .............................. 122
4.6 Übungsaufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Literatur ........................................................ 129
5 Ladungstransport ............................................... 131
5.1 Ionenbeweglichkeit ........................................ 132
5.1.1 Theorie zur Ionenbeweglichkeit ....................... 132
5.1.2 Versuchsanleitung Ionenbeweglichkeit ................. 134
5.1.3 Versuchsauswertung Ionenbeweglichkeit ............... 136
5.2 Leitfähigkeit .............................................. 141
5.2.1 Theorie zur Leitfähigkeitsmessung .................... 141
5.2.2 Versuchsanleitung Leitfähigkeitsmessung ............... 144
5.2.3 Versuchsauswertung Leitfähigkeit ..................... 146
5.3 Ionenbewegung im Magnetfeld ............................... 148
5.3.1 Magnetfelder ..................................... 148
5.3.2 Fadenstrahlrohr ................................... 149
5.3.3 Versuchsaufgabe Fadenstrahlrohr ..................... 152
5.3.4 Versuche Fadenstrahlrohr ............................ 153
5.3.5 Magnetohydrodynamik-Kreisel ....................... 154
Inhaltsverzeichnis XI
5.4 Papierelektrophorese ....................................... 158
5.4.1 Theorie der Papierelektrophorese ..................... 158
5.4.2 Aufbau der Papierelektrophorese ...................... 159
5.4.3 Versuchsauswertung Papierelektrophorese .............. 161
5.5 Gelelektrophorese ......................................... 163
5.5.1 Theorie der Gelelektrophorese ........................ 163
5.5.2 Aufbau der Gelelektrophorese ........................ 169
5.5.3 Versuchsauswertung Gelelektrophorese ................ 171
5.6 Salzschmelze ............................................. 171
5.6.1 Theorie der Salzschmelze ........................... 171
5.6.2 Versuchsaufbau Salzschmelze ........................ 177
5.6.3 Versuchsauswertung Salzschmelze .................... 178
5.7 Ionenaustauscher .......................................... 180
5.7.1 Theorie der Ionenaustauscher ........................ 180
5.7.2 Versuchsaufbau Ionenaustauscher ..................... 185
5.7.3 Versuchsauswertung Ionenaustauscher ................. 186
5.8 Ladungstransport in Metallen ................................ 189
5.8.1 Drude-Lorentz-Modell .............................. 189
5.8.2 Versuchsaufbau Ladungstransport in Metallen ........... 194
5.9 Elektrodenkessel .......................................... 196
5.9.1 Theorie des Elektrokessels ........................... 196
5.9.2 Versuchsaufbau Elektrokessel ........................ 200
5.9.3 Auswertung Elektrokessel ........................... 202
5.10 Übungsaufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Literatur ........................................................ 220
6 Elektrolyse ..................................................... 223
6.1 Lokal-Elemente ........................................... 224
6.1.1 Oxidation und Reduktion ............................ 224
6.1.2 Fällungsreaktionen ................................. 225
6.1.3 Räumlich getrenntes „Lokalelement“ .................. 227
6.1.4 Versuchsaufbau Lokalelement ........................ 228
6.1.5 Versuchsergebnisse Lokalelement ..................... 228
6.2 Evans-Element ............................................ 230
6.2.1 Sauerstoff-Korrosion ............................... 230
6.2.2 Versuchsaufbau Evans-Element ....................... 233
6.2.3 Ergebnisse zum Evans-Element ....................... 234
6.3 Spannungsreihe ........................................... 235
6.3.1 Galvanische Kette ................................. 235
6.3.2 Versuchsaufbau Spannungsreihe ...................... 237
6.3.3 Auswertung Versuch Spannungsreihe .................. 237