Chemie
Physikalische Eigenschaften, Energie und Geschwindigkeit bei Reaktionen
Freiwillige Redoxprozesse und Elektrolyse
Technische Elektrolysen am Beispiel der Zementation

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Die Autor*innen

André Otto

Technische Elektrolysen am Beispiel der Zementation

lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Grundlagen zum Thema Technische Elektrolysen am Beispiel der Zementation

Für die Elektrolyse von Kupfersulfat eines Salzes benötigt man eine Gleichspannung. Dabei scheidet sich Kupfer ab. Es geht aber auch ohne Strom. Ich zeige dir dazu ein Experiment und erkläre, was Zementation ist. Es geht dabei jeweils um die Beteiligung eines unedlen und eines relativ edlen Metalls. Dabei läuft eine Redoxreaktion ab. Die Zementation hat große praktische Bedeutung. Du lernst drei Beispiele dafür kennen.

Transkript Technische Elektrolysen am Beispiel der Zementation

Hallo und ganz herzlich Willkommen. In diesem Video geht es um technische Elektrolysen am Beispiel der Zementation. Die Elektrolyse. Nehmen wir eine Lösung von Kupfersulfat. Durch Anlegen einer Gleichspannung kommt es zu einem Stromfluss. Und das ist auch verständlich. Kupfersulfat ist gut wasserlöslich. Es findet Dissoziation in Kationen, Kupfer-Ionen und Anionen Sulfat-Ionen statt. Die Kupfer-Ionen sind Ladungsträger. Sie bewegen sich zur Kathode. Dort nimmt jedes Kation zwei Elektronen auf und wird zum Kupfer-Atom. Cu₂+ plus zwei Elektronen reagieren zu Cu. Metallisches Kupfer scheidet sich als sogenanntes Elektrolytkupfer ab. Den Prozess nennt man Elektrolyse. Die Reaktion kann nur ablaufen, wenn von außen Energie zugeführt wird. Das geschieht durch das Anlegen einer Gleichspannung. Zementation. Ich möchte euch ein Experiment zeigen. In einem Becherglas habe ich eine Kupfersulfatlösung vorbereitet. In die Flüssigkeit wird ein Zinkstab eingetaucht. Schaut euch an, was passiert. Hübsch, nicht? Am Zinkstab scheidet sich metallisches Kupfer ab. Soweit so gut. Ist euch etwas aufgefallen? Richtig, die Reaktion läuft ohne Energiezufuhr von außen ab. Was passiert hier elektrochemisch? Cu₂+ plus Zn reagieren zu Cu plus Zn₂+. Auch hier entsteht aus einem Kupfer-Ion ein Kupfer-Atom. Umgekehrt wird aus einem Zink-Atom ein Zink-Ion gebildet. Erstens: Zink verdrängt das Kupfer aus seinem Salz. Zweitens: Es findet ein Elektronenübergang von den Zink-Atomen zu den Kupfer-Ionen statt. Begriffsbestimmung. Zementation: Zementieren ist ein Ausfällen eines Metalls aus einer Salzlösung. In unserem Experiment ist das Kupfer. Das Ausfällen geschieht durch ein unedles Metall. In unserem Experiment ist das Zink. Das "Standardelektrodenpotenzial" des unedlen Metalls Zink ist negativer, -0,76 Volt, als der Wert für das edlere Metall, Kupfer. Kupfer hat ein Standardelektrodenpotenzial von +0,34 Volt. Das unedle Metall geht in Lösung. Es verdrängt das edle Metall aus seinen Salzen. Das edle Metall wird ausgefällt. Die Zementation läuft ohne Energiezufuhr von außen ab. Es muss keine Spannung angelegt werden. Zementation als "Redoxreaktion". Betrachten wir die Reaktion unseres Experiments. Cu₂+ plus Zn reagieren zu Cu plus Zn₂+. Es ist eine Reaktion mit Elektronenübergang. Eine solche Reaktion nennt man "Redoxreaktion". Cu2+ plus zwei Elektronen reagieren zu Cu. Hier geschieht Elektronenaufnahme. Die Teilreaktion heißt Reduktion. Zn reagiert zu Zn₂+ plus zwei Elektronen. Hier geschieht Elektronenabgabe. Die Teilreaktion heißt Oxidation. Nutzung der Zementation. Amalgamprobe. Es handelt sich um einen Nachweis von Quecksilber. Ein Quecksilbersalz wird mit Salzsäure versetzt. Durch Zugabe von Kupfer findet eine Redoxreaktion statt. Hg₂+ plus Cu reagieren zu Hg plus Cu₂+. Die Quecksilber-Ionen werden zu metallischem Quecksilber reduziert. Die Kupfer-Atome werden zu Kupfer-Ionen oxidiert. Goldgewinnung. Eine Möglichkeit der Goldgewinnung ist die Cyanidlaugerei. Dabei entstehen komplexe Gold-Ionen. Man gewinnt Gold durch Zugabe von Zink. Zwei komplexe Gold-Ionen plus ein Zink-Atom reagieren zu zwei Gold-Atomen und einem komplexen Zink-Ion. Gold1-Ionen werden zu metallischem Gold reduziert. Rauschgold. Goldpapier. Rauschgold ist falsches Gold. Man nennt es auch Knittergold. Dünne Zinkfolien werden mit einem Kupfersalz behandelt. Es kommt zu einer Oxidation des metallischen Zinks zu Zink-Ionen. Kupfer-Ionen werden zu metallischem Kupfer reduziert. Die Kupfer-Atome vermischen sich mit den Zink-Atomen der Zinkfolie. Es entsteht Messing und das sieht aus wie Gold. Das war es auch schon wieder für heute. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss! Euer André.

Technische Elektrolysen am Beispiel der Zementation Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Technische Elektrolysen am Beispiel der Zementation kannst du es wiederholen und üben.

Erläutere die Vorgänge bei der Zementation.

Tipps

Metallisches Zink geht in Lösung.

Metallisches Kupfer fällt aus.

Die Kupfer-Ionen werden reduziert.

Lösung

1. Wortgleichung in nichtionischer Schreibweise
Kupfersulfat + Zink $\longrightarrow$ Kupfer + Zinksulfat
Das unedle Metall geht in Lösung, das edle Metall entsteht. Das Salz des edlen Metalls wird in das Salz des unedlen Metalls umgewandelt.
2. Formelgleichung in nichtionischer Schreibweise
$CuSO_4$ + $Zn$ $\longrightarrow$ $Cu$ + $ZnSO_4$
3. Wortgleichung in ionischer Schreibweise
Kupfer-Ion + Zink-Atom $\longrightarrow$ Kupfer-Atom + Zink-Ion
Die Ionen des edlen Metalls werden zu dem Metall umgewandelt. Die Atome des unedlen Metalls werden zu Ionen umgewandelt.
4. Formelgleichung in ionischer Schreibweise
$Cu^{2\oplus}$ + $Zn$ $\longrightarrow$ $Cu$ + $Zn^{2\oplus}$
Beschreibe Anwendungen der Zementation.

Tipps

Kupfer ist unedler als Quecksilber.

Zink wird durch die Ionen eines edlen Metalles oxidiert.

Lösung

Amalgamprobe
Die Probe dient zum Nachweis von Quecksilber. Das Quecksilber-Salz wird mit Salzsäure versetzt. Nun wird noch Kupfer in Pulverform hinzugegeben. Es läuft folgende Redoxgleichung ab:
$Hg_2^{2\oplus}$ + $Cu$ $\longrightarrow$ $Cu^{2\oplus}$ + $Hg$.
Cyanidlaugerei
Folgende Redoxreaktion findet statt:
$[Au(CN)_2]^\ominus$ + $Zn$ $\longrightarrow$ 2 $Au$ + $[Zn(CN)_4]^{2\ominus}$.
Herstellung von Goldpapier
Die Zinkfolie wird mit einem Kupfersalz versetzt. Ein Teil des Zinks reagiert und es bildet sich Kupfer. Es kommt zur Vermischung beider Metalle. Dabei entsteht goldglänzendes Messing.
Berechne die Masse an benötigtem Kupfersulfat.

Tipps

Molare Massen der Elemente sind zahlenmäßig den Massenzahlen gleich.

Molare Massen der Verbindungen sind die Summen der molaren Massen der am Aufbau der Moleküle beteiligten Elemente.

Lösung

Die Reaktionsgleichung in Formelschreibweise
$Zn$ + $CuSO_4$ $\longrightarrow$ $Cu$ + $ZnSO_4$
Auswahl der relevanten Stoffe und das Reaktionsverhältnis
An der Aufgabenstellung sind nur Kupfersulfat und Kupfer beteiligt.
Das Reaktionsverhältnis ist 1 : 1. Es geht um das Teilchenverhältnis. Die Atome, die in den Molekülen enthalten sind, spielen hierbei keine Rolle.
Die molaren Massen
$CuSO_4$: 160 g/mol
Das ist die Summe der molaren Massen der Atome, aus denen das Molekül besteht:
ein Kupferatom (64 g/mol), ein Schwefelatom (32 g/mol) und vier Sauerstoffatome (64 g/mol).
$Cu$: 64 g/mol
Aufstellen der Proportion
x/160 = 100/64
Auf der linken Seite finden wir das Verhältnis der Werte für Kupfersulfat, auf der rechten Seite für Kupfer.
In den Zählern stehen die Bedingungen aus der Aufgabe (gesuchte und gegebene Größe).
Im Nenner stehen die molaren Massen.
Schlussrechnung
Man erhält:
x = 250 g.
Beurteile die Möglichkeit von Verdrängungsreaktionen.

Tipps

Halogene mit höherer Elektronegativität verdrängen Halogene mit geringerer Elektronegativität aus deren Salzen.

Unedle Metalle können edle Metalle aus deren Salzen verdrängen.

Lösung

Ein Quecksilbersalz reagiert mit Kupfer. Das unedlere Metall verdrängt das edlere Metall aus dessen Salz. Diese Reaktion läuft auch bei der Amalgamprobe ab.
Natriumchlorid reagiert dagegen nicht mit Silber, da das edlere Metall Silber das unedlere Metall Natrium nicht aus dessen Salz verdrängen kann.
Chlor reagiert mit Kaliumbromid unter Ausschluss von Wasser, denn Chlor ist elektronegativer als Brom und kann es daher aus dessen Salz verdrängen. Iod reagiert dagegen nicht mit Kaliumbromid unter trockenen Bedingungen. Iod hat eine geringere Elektronegativität als Brom. Es kann das Brom deshalb nicht aus dem Kaliumbromid verdrängen.
In wässriger Lösung reagieren Schwefelsäure und Natriumchlorid nicht. Beide Verbindungen sind praktisch vollständig dissoziiert. Die Ionen gehen keine chemische Reaktion miteinander ein.
Beurteile die Aussagen über die Zementation.

Tipps

Das unedlere Metall geht stets in Lösung.

Bei der Elektrolyse muss eine Spannung angelegt werden.

Die Neutralisation ist keine Redoxreaktion.

Lösung

Die Zementation ist das Ausfällen eines Metalls aus einer Salzlösung. Das ist eine kurze und einprägsame Definition. Die Zementation läuft ohne Energiezufuhr von außen ab, die Reaktion läuft spontan ab, es muss also keine äußere Spannung angelegt werden.
Eine Zementation erfolgt zum Beispiel bei der Reaktion von Zink mit Kupfersulfat. Das unedlere Metall reagiert mit dem Salz des edleren Metalls. Aus Kupfer-Ionen entsteht metallisches Kupfer und Zink geht in Lösung. Die Rückreaktion läuft nicht freiwillig ab. Aus Kupfer und Zink-Ionen entstehen keine Kupfer-Ionen und kein elementares Zink.
Die Zementation ist eine Redoxreaktion und keine Neutralisation.
Bestimme die Standardpotentiale folgender Metalle.
Tipps

Der edle Charakter in den Hauptgruppen steigt mit zunehmender Nummer der Hauptgruppe.

In den beiden Nebengruppen nimmt der edle Charakter des Metalls von oben nach unten zu.

Lösung
Die Lösung ist ein Ausschnitt aus der elektrochemischen Spannungsreihe:
- Gold +1,50 V
- Quecksilber +0,85 V
- Kupfer +0,35 V
- Blei -0,13 V
- Zink -0,76 V
- Aluminium -1,66 V
- Magnesium -2,36 V
- Natrium -2,71 V
Gold ist unbestritten von allen aufgezählten Metallen das edelste Element. Daher hat das Standardelektrodenpotential auch den höchsten Wert. Es folgen die halbedlen Metalle Quecksilber und Kupfer. Dass Quecksilber vor Kupfer in der Reihe steht, kann man aus der Amalgamprobe ableiten.
Die Stellung von Blei erschließt sich nicht ganz einfach. Das Metall ist nicht edel, aber relativ stabil. Denn schon die alten Römer führten Bleiflaschen mit sich mit.
Zink ist viel unedler als Kupfer. Das lässt sich aus dem Experiment erkennen: Elementares Kupfer scheidet sich aus einer Kupferlösung an einem Zinkstab ab.
Aluminium ist noch unedler. Das Metall reagiert sowohl mit Säuren als auch mit Laugen. Beim Thermitverfahren reagiert Aluminium mit Eisenoxid und Aluminium wird frei. Interessant ist: Die erstaunliche Stabilität des Aluminiums an der Luft wird durch eine dünne Aluminiumoxid-Schicht auf der Metall-Oberfläche erreicht.
Die zunehmende Reaktionsfähigkeit Al < Mg < Na wird durch die Stellung der Metalle im Periodensystem der Elemente belegt.
Anmerkung: Die Standardpotentiale gelten für wässrige Lösungen. Bei wasserfreien Prozessen kann es zu gewissen Verschiebungen der Relationen kommen.