Chemie Elektrolyse

Wissenschaft Chemie
#1

Hallo zusammen,
ich lerne gerade für Abiprüfungen und bin dabei auf mehrere Problemen zugestoßen. Deshalb wollte ich die Experten um Rat fragen.

Frage:

  1. Was ist eigentlich die Oxidschicht des Chroms ? (Molekülstruktur, Aggregatzustand)
  2. Wenn der pH-Wert einer Säure geändert wird, kann es dann zu einer Lauge werden? Denn in der Lösung haben sie das gemacht und am Ende hatten sie ein pH-Wert von 12,5 für H3O+.
  3. Im Text ist ganz kurz von HCl die Rede, aber dennoch haben wir damit nichts angefangen, stattdessen haben wir mit H3O+ gearbeitet (PS im Text steht nichts von Wasser)… (wobei ich hierbei nicht erkannt habe wo es überhaupt herstammt)

Hier die Aufgabe :

„Ermitteln Sie, ob bzw. welche der angegebenen Überzüge bei Beschädigung
der schützenden Oxidschicht des Chroms (Chrom liegt frei)
durch die Salzsäure der angegebenen Konzentration angegriffen werden.
Berechnen Sie, ab welcher Oxoniumionen-Konzentration die
Chromschicht selbst gerade nicht mehr angegriffen wird und erläutern
Sie Ihren Lösungsweg“

Infotext:

"Das dekorative Hochglanzverchromen wird wegen des typischen Glanzes des
Chroms schon lange genutzt. Jeder kennt verchromte Badarmaturen, Fahrradlenker
und vieles mehr. Als dekorativer Überzug ist die Chromschicht selten dicker als
0,5 μm. Aus diesem Grund wird in der Praxis nie nur verchromt, da die Schutzwirkung
nicht ausreichend wäre.Soll ein metallischer Gegenstand verchromt werden, so wird das Grundmetall zunächst
poliert und gründlich entfettet, damit die aufzubringenden Metallschichten gut
auf der Oberfläche haften. Dann werden insgesamt drei Metallschichten durch Galvanisieren
(Abscheidung durch Elektrolyse) aufgebracht: zunächst Kupfer, dann Nickel
und schließlich Chrom.
Zusatz bei Variante A:
Zur Verkupferung wird ein Demonstrationsexperiment durchgeführt. Dabei wird die
Elektrolysespannung so gewählt, dass bei konstantem Elektrolysestrom in 20 Stunden
die Masse des zu verkupfernden Gegenstandes um 1 g zunehmen würde. Leichte
Verunreinigungen der verwendeten Kupfersulfatlösung durch Eisen stören dabei
nicht. Die zugefügte Schwefelsäure nimmt an den ablaufenden Reaktionen nicht teil.
Bei der Verchromung als letztem Schritt soll sich bei einer Stromstärke von 25 A genau
1 g Chrom abscheiden.
Zusatz bei Variante B:
Die Verkupferung kann mit folgendem Experiment unter Laborbedingungen nachgestellt
werden:
Geräte: Becherglas, Spannungsquelle, Kabel
Chemikalien: Kupferblech, vernickelte Münze, Kupfersulfatlösung
(c = 1 mol ⋅ L–1), Schwefelsäure (c = 1 mol ⋅ L–1)
Durchführung: 60 mL Kupfersulfatlösung werden mit 10 mL Schwefelsäure versetzt.
Das Kupferblech wird an den (+)-Pol der Spannungsquelle
angeschlossen, die Münze an den (–)-Pol.
Beobachtungen: Die vernickelte Münze überzieht sich mit einem rot-braunen Belag.
Das Kupferblech wird angegriffen, es zersetzt sich.
Quelle: http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/lehrmat.htm (Stand: 03.09.2006)
Die Elektrolysespannung ist so gewählt, dass bei konstantem Elektrolysestrom in 20
Stunden die Masse des zu verkupfernden Gegenstandes um 1 g zunehmen würde.
Leichte Verunreinigungen der verwendeten Kupfersulfatlösung durch Eisen stören
dabei nicht. Die zugefügte Schwefelsäure nimmt an den ablaufenden Reaktionen
nicht teil. Bei der Verchromung als letztem Schritt soll sich bei einer Stromstärke
von 25 A genau 1 g Chrom abscheiden.
Variante A und B:
Chrom ist ein unedles Metall, wird aber durch eine sehr feine und extrem dichte
Oxidschicht geschützt. Wird diese Oxidschicht beschädigt (z. B. durch Kratzer), so ist
die Beständigkeit der nunmehr frei liegenden Chromschicht gegenüber Säuren und
das Verhalten der darunter liegenden Kupfer- und Nickelschicht wichtig. Dazu werden
in Prüflabors Versuche mit Salzsäure der Stoffmengenkonzentration
c = 10–5 mol ⋅ L–1 durchgeführt.

Zusatzinformationen
Faraday-Konstante: F = 9,64853 ⋅ 104 As ⋅ mol–1
Standardelektrodenpotentiale (U0 [V]):
Cu /Cu2+ + 0,35
Ni /Ni2+ – 0,23
Cr /Cr3+ – 0,74
Fe /Fe2+ – 0,44
H2 + 2 H2O /2 H3O+ 0
Atommassen: Cu: 63,5 u
Cr: 52 u "

Lösung :
"
Durch die Beschädigung der Oxidschicht des Chroms kann sich ein galvanisches
Element bilden. Eine Berechnung ist nur für Chrom notwendig; Für Kupfer und
Nickel ist eine schlüssige Erklärung ausreichend.
Die Nernst-Gleichung liefert den Zusammenhang zwischen Elektrodenpotenzial
und der Konzentration.
U= 0V +…V*log(c²(H30+))
U= 0V+ (0,059/2 )V*log ((10^-5)²)

Für die angegebene Säure der Konzentration von c = 10–5 mol ⋅ L–1 erhält man
ein Elektrodenpotenzial von – 0,295 V. Es werden folglich Metalle angegriffen,
die einen negativeren Wert besitzen. Von den im Materialteil angegebenen Me-

#2

Hallo!

Ich bin kein Experte für Elektrochemie und Galvanik aber ein paar Antworten habe ich trotzdem. Vielleicht helfen dir die ja weiter.

Frage:

  1. Was ist eigentlich die Oxidschicht des Chroms ?
    (Molekülstruktur, Aggregatzustand)

Die Oxidschicht besteht meines Wissens aus Chrom-III-oxid mit der Summenformel Cr2O3.

  1. Wenn der pH-Wert einer Säure geändert wird, kann es dann zu
    einer Lauge werden? Denn in der Lösung haben sie das gemacht
    und am Ende hatten sie ein pH-Wert von 12,5 für H3O+.

Der Ph Wert ist ja im Prinzip nur ein Maß für die H3O+ Ionen Konzentration. Durch das Autoprotolysegleichgewicht von Wasser (2 H2O H3O+ + OH-) verändert sich die Oxoniumkonzentration bei Zugabe von Hydroxid-Ionen. Schau dir nochmal die Definition des pH-Wertes an. Da wird der negative Logharithmus der Konzentration genommen. Ein höherer pH-Wert bedeutet also eine kleinere H3O+ Ionen Konzentration. Es ist also sehr wohl möglich (und auch üblich) den pH Wert von Säuren durch Laugen zu verändern, bis hin zu basischen Werten > 7.

  1. Im Text ist ganz kurz von HCl die Rede, aber dennoch haben
    wir damit nichts angefangen, stattdessen haben wir mit H3O+ gearbeitet

Bei HCl handelt es sich um eine starke Säure die in wässrigen Lösungen vollständig dissoziiert:

HCl + H2O -> H3O+ + Cl-

Für einprotonige Säuren wie die HCl ist die Stoffmengenkonzentration der Säure gleich der Oxoniumionen Konzentration. Die mehrprotonigen Säuren nicht, wie das Beispiel Schwefelsäure zeigt:

H2SO4 + 2 H2O -> 2 H3O+ + SO42-

Da entstehen aus einem Mol H2SO4 zwei H3O+ Ionen.

Bei schwachen Säuren ist es noch etwas komplizierter weil die in wässrigen Lösungen nicht vollsändig dissoziieren. Dazu solltest du dann in deinen Unterlagen nochmal das Thema Säure-Base Reaktionen und Autoprotolyse des Wassers nachschlagen.

gearbeitet (PS im Text steht nichts von Wasser)… (wobei ich
hierbei nicht erkannt habe wo es überhaupt herstammt)

Na ganz ohne Wasser gehts wohl nicht. Immerhin steht in der Aufgabe ja etwas von wässrigen Säurelösungen

Hier die Aufgabe :

Ab hier muss ich passen. So auf die Schnelle kann ich die Aufgabe auch nicht lösen. Da müsste ich mich erst wieder einarbeiten. Hab mit Elektrochemie nicht mehr viel am Hut. :wink:

Trotzdem noch viel Erfolg dabei

Sven

#3

Ich bedanke mich vielmals bei Ihnen. Ich habe Dank Ihrer schnellen Antwort vieles verstanden.

#4

Hallo,

ich lerne gerade für Abiprüfungen und bin dabei auf mehrere
Problemen zugestoßen. Deshalb wollte ich die Experten um Rat
fragen.

na, dann solltest Du aber wirklich pauken…

Frage:

  1. Was ist eigentlich die Oxidschicht des Chroms ?
    (Molekülstruktur, Aggregatzustand)

Das ist Chrom(III)oxid.

  1. Wenn der pH-Wert einer Säure geändert wird, kann es dann zu
    einer Lauge werden? Denn in der Lösung haben sie das gemacht
    und am Ende hatten sie ein pH-Wert von 12,5 für H3O+.

Ja, geht.

  1. Im Text ist ganz kurz von HCl die Rede, aber dennoch haben
    wir damit nichts angefangen, stattdessen haben wir mit H3O+
    gearbeitet (PS im Text steht nichts von Wasser)… (wobei ich
    hierbei nicht erkannt habe wo es überhaupt herstammt)

Nicht erkannt, woher H3O+ stammt? Nuja, wird wohl schon von der Salzsäure herrühren… Aber ist das relevant?

Grüße,Grünblatt

Hier die Aufgabe :

„Ermitteln Sie, ob bzw. welche der angegebenen Überzüge bei
Beschädigung
der schützenden Oxidschicht des Chroms (Chrom liegt frei)
durch die Salzsäure der angegebenen Konzentration angegriffen
werden.
Berechnen Sie, ab welcher Oxoniumionen-Konzentration die
Chromschicht selbst gerade nicht mehr angegriffen wird und
erläutern
Sie Ihren Lösungsweg“

Infotext:

"Das dekorative Hochglanzverchromen wird wegen des typischen
Glanzes des
Chroms schon lange genutzt. Jeder kennt verchromte
Badarmaturen, Fahrradlenker
und vieles mehr. Als dekorativer Überzug ist die Chromschicht
selten dicker als
0,5 μm. Aus diesem Grund wird in der Praxis nie nur verchromt,
da die Schutzwirkung
nicht ausreichend wäre.Soll ein metallischer Gegenstand
verchromt werden, so wird das Grundmetall zunächst
poliert und gründlich entfettet, damit die aufzubringenden
Metallschichten gut
auf der Oberfläche haften. Dann werden insgesamt drei
Metallschichten durch Galvanisieren
(Abscheidung durch Elektrolyse) aufgebracht: zunächst Kupfer,
dann Nickel
und schließlich Chrom.
Zusatz bei Variante A:
Zur Verkupferung wird ein Demonstrationsexperiment
durchgeführt. Dabei wird die
Elektrolysespannung so gewählt, dass bei konstantem
Elektrolysestrom in 20 Stunden
die Masse des zu verkupfernden Gegenstandes um 1 g zunehmen
würde. Leichte
Verunreinigungen der verwendeten Kupfersulfatlösung durch
Eisen stören dabei
nicht. Die zugefügte Schwefelsäure nimmt an den ablaufenden
Reaktionen nicht teil.
Bei der Verchromung als letztem Schritt soll sich bei einer
Stromstärke von 25 A genau
1 g Chrom abscheiden.
Zusatz bei Variante B:
Die Verkupferung kann mit folgendem Experiment unter
Laborbedingungen nachgestellt
werden:
Geräte: Becherglas, Spannungsquelle, Kabel
Chemikalien: Kupferblech, vernickelte Münze,
Kupfersulfatlösung
(c = 1 mol ⋅ L–1), Schwefelsäure (c = 1 mol ⋅ L–1)
Durchführung: 60 mL Kupfersulfatlösung werden mit 10 mL
Schwefelsäure versetzt.
Das Kupferblech wird an den (+)-Pol der Spannungsquelle
angeschlossen, die Münze an den (–)-Pol.
Beobachtungen: Die vernickelte Münze überzieht sich mit einem
rot-braunen Belag.
Das Kupferblech wird angegriffen, es zersetzt sich.
Quelle: http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/lehrmat.htm (Stand:
03.09.2006)
Die Elektrolysespannung ist so gewählt, dass bei konstantem
Elektrolysestrom in 20
Stunden die Masse des zu verkupfernden Gegenstandes um 1 g
zunehmen würde.
Leichte Verunreinigungen der verwendeten Kupfersulfatlösung
durch Eisen stören
dabei nicht. Die zugefügte Schwefelsäure nimmt an den
ablaufenden Reaktionen
nicht teil. Bei der Verchromung als letztem Schritt soll sich
bei einer Stromstärke
von 25 A genau 1 g Chrom abscheiden.
Variante A und B:
Chrom ist ein unedles Metall, wird aber durch eine sehr feine
und extrem dichte
Oxidschicht geschützt. Wird diese Oxidschicht beschädigt (z.
B. durch Kratzer), so ist
die Beständigkeit der nunmehr frei liegenden Chromschicht
gegenüber Säuren und
das Verhalten der darunter liegenden Kupfer- und Nickelschicht
wichtig. Dazu werden
in Prüflabors Versuche mit Salzsäure der
Stoffmengenkonzentration
c = 10–5 mol ⋅ L–1 durchgeführt.

Zusatzinformationen
Faraday-Konstante: F = 9,64853 ⋅ 104 As ⋅ mol–1
Standardelektrodenpotentiale (U0 [V]):
Cu /Cu2+ + 0,35
Ni /Ni2+ – 0,23
Cr /Cr3+ – 0,74
Fe /Fe2+ – 0,44
H2 + 2 H2O /2 H3O+ 0
Atommassen: Cu: 63,5 u
Cr: 52 u "

Lösung :
"
Durch die Beschädigung der Oxidschicht des Chroms kann sich
ein galvanisches
Element bilden. Eine Berechnung ist nur für Chrom notwendig;
Für Kupfer und
Nickel ist eine schlüssige Erklärung ausreichend.
Die Nernst-Gleichung liefert den Zusammenhang zwischen
Elektrodenpotenzial
und der Konzentration.
U= 0V +…V*log(c²(H30+))
U= 0V+ (0,059/2 )V*log ((10^-5)²)

Für die angegebene Säure der Konzentration von c = 10–5 mol ⋅
L–1 erhält man
ein Elektrodenpotenzial von – 0,295 V. Es werden folglich
Metalle angegriffen,
die einen negativeren Wert besitzen. Von den im Materialteil
angegebenen Me-

#5

Hallo,

sorry ich habe im Moment wenig Zeit, werde mir bei Gelegenheit die Aufgabe aber gerne nochmal genauer anschauen. Nur einige Anmerkungen:

Soweit ich dass sehe sind für diese Aufgabe die Eigenschaften der Oxidschicht uninteressant, da immer davon ausgegangen wird dass sie beschädigt also nicht mehr vorhanden ist. Die Oxidschicht ist fest und sehr beständig sie besteht aus einem 3D Gitter aus Chrom Kationen und Sauerstoff Anionen.

Eine Säure hat keinen pH Wert. Der pH Wert bezieht sich immer auf eine wässrige Lösung und ist einfach eine andere Art die Konzentration von H3O+ Ionen anzugeben.

Im Text ist HCl in verschiedenen Konzentrationen die Rede. Es geht also um Lösungen von HCl in Wasser reines HCl ist ein Gas. HCl dissoziert in Wasser Vollständig d.h. Konzentration HCl = Konzentration H3O+ solange nichts anderes zur Lösung dazu gegeben wurde.

#6

Vielen Dank für deine Hilfe.

#7

Moin!

  1. http://de.wikipedia.org/wiki/Chromoxid
    Chrom bildet als Nebengruppenelement verschiedene Oxide aus. Spricht man von „Chromoxid“, ist meist das Chrom(III)oxid damit gemeint, da es die stabilste Form darstellt. Es ist ein dunkelgrüner Feststoff, praktisch unlöslich in Wasser.
    Chrom reagiert mit Luftsauerstoff sofort zu Chromoxiden (sollte hauptsächlich 3-Oxid sein, enthält aber wahrscheinlich auch Chrom(II) und Chrom(VI), genau weiß ich das nicht), die nur wenige Atomschichten dick sind und auf der Oberfläche des Chroms selbst haften. Das macht das Chrom so korrosionsbeständig - die Chromoxid-Abscheidung auf der Oberfläche macht das darunterliegende metallische Chrom unempfindlich gegen weitere Oxidation oder sonstige chemische Reaktionen. Gleiches gilt beispielsweise auch für Aluminium. Alle Chromoxide sind Feststoffe. Da die Oxidschicht so dünn ist, beeinträchtigt sie die optischen Eigenschaften des Metalls praktisch nicht.
    Die Oxidschicht eignet sich als Schutz, weil sie zusammenhängend ist. Mehr dazu hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Passivierung

  2. Ja - eine Lösung mit einem pH7 alkalisch.

  3. Da HCl als starke Säure in entsprechender Verdünnung praktisch vollständig dissoziiert vorliegt, ist c(HCl)=c(H3O+).

Eine Aufgabe zum herumspielen mit der Nernst-Gleichung - da gibt es bessere - nunja …

Nachtrag: In den Zusatzinformationen ist das elektrochemische Potential von Cr/Cr3+ angegeben, ergo geht der Urheber der Frage von Chrom(III)oxid aus, was Sinn macht, da es das stabilste Chromoxid ist.

Ich hoffe ich konnte helfen!

Grüße!

#8

Mahlzeit!

Ihr habt garantiert nicht mit H3O+ gearbeitet.
Wenn du eine Reinstoffsäure in Wasser schmeißt, beispielsweise HCl, dissoziiert sie zu Cl- und H+.
Das H+ hängt sich an ein Wassermolekül und aus H2O und H+ wird H3O+,
Ein Hydroniumion.

Was du brauchts ist ein Grundlagenkurs oder ein Schulbuch für Anfänger.

Der pH Wert ist der negative dekadische Logarythmus der Hydroniumionenkonzemtration, also c(H3O+) = 10^-pH
In Wasser gibt es immer ein Gleichgewicht zwischen H3O+ und OH- also gibt es auch einen pOH Wert und die Summe: pOH + pH ist immer 14! (Der pH oder pOH Wert kann natürlich auch negativ werden…)

„Oxidschicht“ bedeutet dass die Oberfläche mit Sauerstoff belegt ist und das Metall deswegen für chemische Reaktionen nicht zugänglich ist. Mehr Gedanken muss man sich darüber nicht machen.
Das ganze Aluminium im Alltag ist z.B. Matt und lässt sich nicht polieren, weil es an der Luft immer sofort eine Oxidschicht bildet. Im Vakuum würde es aussehen wie Edelstahl.