Big Bang HTL 2, Schulbuch

132 Bereich Grundlagen der Chemie (II. Jahrgang, 3. Semester) –– Elektrogravimetrie –– Die Gravimetrie ist eine Methode der analytischen Che- mie, um die Konzentration eines Stoffes mit Hilfe der Waage zu bestimmen. Und die Waage funktioniert ja nur durch die Schwerkraft, also Gravitation, und daher der Name. Jetzt kann man Metallionen aus einer wässrigen Lösung nicht einfach herausfischen, um sie auf die Waage zu legen. Deshalb werden sie bei der Elektrogravi- metrie durch eine Elektrolyse auf einer Trägerkathode abgeschieden. Die Massenzunahme dieser Kathode kann dann mit der Waage bestimmt werden und schon weiß man, wie viel von dem Metall in der Lösung war. Zusammenfassung Durch Anlegen einer Gleichspannung können Redoxreak- tionen umgekehrt werden. Dadurch können freiwillig nicht ablaufende Reaktionen erzwungen werden. Man nennt den Vorgang Elektrolyse und sein Aufbau ähnelt einem galvani- schen Element, nur dass eine Spannung angelegt wird. Elektrolysen können zur Herstellung wichtiger Rohstoffe wie Wasserstoff, Chlor oder vieler Metalle verwendet werden. Andere Anwendungen sind die Beschichtung mit Metallen, die Reinigung von Metallen oder die Analytik. Abb. 9.31: Elektro- gravimetrie von Kupfer Z Arbeitsbox Viele verchromte Autoteile, wie etwa Türgriffe, bestehen heute aus Kunststoff. Vor einer galvanischen Verchromung muss der Kunststoff z. B. chemisch mit einer dünnen Nickelschicht überzogen werden. Erkläre, warum ist dies notwendig ist. L Berechne die Menge an Aluminium, die nach einer einstündigen Elektrolyse einer AlCl 3 Schmelze bei einer Stromstärke von 10A abgeschieden wird! L Ermittle, wie viel Zeit notwendig ist um 1 g Chrom aus einer wässrigen CrCl 3 Lösung bei einer Stromstärke von 1,5A abzuscheiden! L 9.6 F30 A1 F31 B1 F32 B1 Stöchiometrie der Elektrolyse – Ein bisschen Rechnen muss sein… Dass man aus der verbrauchten Strommenge bei der Elekt- rolyse die Menge des abgeschiedenen Metalls berechnen kann, erkannte bereits Michael Faraday im 19. Jahrhundert. Die von ihm aufgestellten Rechenregeln werden als „Faradaysche Gesetze“ bezeichnet. Aus den Halbreaktionen ist die Anzahl der benötigten Elekt- ronen leicht abzulesen. So benötigt man 1e – für die Reduk- tion eines Silberions, 2e – für ein Kupferion und 3e – für ein Aluminium: Ag + + 1e – ® Ag Cu 2+ + 2e – ® Cu Al 3+ + 3e – ® Al Für 1mol Silberionen benötigen wir also auch 1mol Elektro- nen usw. Die Ladung von 1mol Elektronen beträgt etwa 96 500C und wird als Faradaykonstante bezeichnet. 1 Cou- lomb (C) ist jene Ladungsmenge die bei 1 A in 1 s fließt: Ladung = Stromstärke mal Zeit Q = I · t Wenn I und t bekannt sind, kann also Q berechnet werden (1). Mit Hilfe der Faradaykonstanten lässt sich auf die Elekt- ronenmenge rückschließen (2). Die Halbreaktion liefert mit der Anzahl der e – pro Atom den Umrechnungsfaktor zwi- schen e – und Atomen (hier z. B. 2e – pro Atom Cu) (3). Nun muss nur noch mit der relativen Atommasse multipliziert werden (4). Oder doch nochmal etwas plakativer und mit Beispiel: Allgemein: Beispiel: Wir messen: Wir messen: Stromstärke I [A], Zeit t [s] I = 0,75A, t = 10min = 600 s ¯ 1. Q = I · t ¯ 1. Q = 0,75 · 600C Ladung Q Ladung Q = 450C, F = 96 500C ¯ 2. n e = Q / F ¯ 2. n e = 450/96 500mol Menge Elektronen n e [mol] Menge Elektron. n e = 0,0047mol ¯ 3. n Metall = n e /e – pro Ion ¯ 3. n Cu = 0,0047/2mol Stoffmenge n Metall [mol] Stoffmenge n Cu = 0,0023mol ¯ 4. m Metall = n e · M Metall ¯ 4. m Cu = 0,0023 · 63,5g Masse Metall m Metall [g] Masse Metall m Cu = 0,148g Das Faraday’sche Gesetz lautet also: m = M · I · t /( z · F ) m …Masse [g] t … Zeit [s] M …Molmasse [g/mol] z … e – pro mol I … Stromstärke [A] F … Faradaykonstante 96 485C/mol i Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv