Ein Fahrradlenker wird vernickelt
AFB I–IIIn einer Galvanikwerkstatt wird ein Stahllenker (Oberfläche 600 cm²) als Kathode in ein Nickelbad getaucht (Nickelsulfat-Lösung, c(Ni²⁺) ≈ 1 mol/L, pH ≈ 4). Anode ist eine Platte aus Reinnickel. Es soll eine 10 µm dicke Schicht entstehen; die Stromstärke beträgt 2,0 A.
\(E^\circ(\ce{Ni^2+}/\ce{Ni}) = -0{,}23\,\text{V}\); Überspannung von H₂ an Nickel: 0,28 V; \(\rho(\ce{Ni}) = 8{,}9\,\text{g/cm}^3\), \(M(\ce{Ni}) = 58{,}69\,\text{g/mol}\), \(F = 96\,485\,\text{C/mol}\)
- Formulieren Sie die Reaktionen an Kathode und Anode.
- Erklären Sie, warum schon eine kleine Badspannung ausreicht.
- Begründen Sie rechnerisch, dass an der Kathode Nickel und nicht Wasserstoff abgeschieden wird.
- Berechnen Sie die Dauer der Vernickelung bei einer Stromausbeute von 95 %.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Kathode (−): \(\ce{Ni^2+ + 2 e- -> Ni}\); Anode (+): \(\ce{Ni -> Ni^2+ + 2 e-}\). Die Konzentration im Bad bleibt dadurch konstant.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
An beiden Elektroden liegt dasselbe Paar Ni²⁺/Ni vor, ΔE ≈ 0 V; es entsteht kein Gas mit großer Überspannung. Die Spannung muss nur den Widerstand des Bades und kleine Hemmungen überwinden.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(E(\ce{H2}) = -0{,}059\,\text{V} \cdot 4 = -0{,}24\,\text{V}\), mit Überspannung \(-0{,}24\,\text{V} - 0{,}28\,\text{V} = -0{,}52\,\text{V}\). Nickel wird schon bei −0,23 V abgeschieden, also bevorzugt. Ohne Überspannung lägen beide praktisch gleichauf.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(V = 600\,\text{cm}^2 \cdot 1{,}0 \cdot 10^{-3}\,\text{cm} = 0{,}60\,\text{cm}^3\), \(m = 5{,}34\,\text{g}\), \(n = 0{,}0910\,\text{mol}\); \(Q = 0{,}0910\,\text{mol} \cdot 2 \cdot 96\,485\,\tfrac{\text{C}}{\text{mol}} = 1{,}76 \cdot 10^4\,\text{C}\); \(t = \frac{Q}{0{,}95 \cdot I} = 9{,}24 \cdot 10^3\,\text{s} \approx 154\,\text{min}\).
Kupfer aus Laugungslösung
AFB II–IIIBeim Electrowinning wird Kupfer aus schwefelsaurer Kupfersulfat-Lösung (pH ≈ 0) gewonnen: Edelstahlkathoden, unlösliche Bleianoden. Im Labor wurde eine Strom-Spannungs-Kurve an glatten Platinelektroden aufgenommen:
| U in V | 1,0 | 1,4 | 1,6 | 2,0 | 2,2 | 2,4 | 2,6 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I in mA | 2 | 3 | 5 | 40 | 80 | 120 | 160 |
\(E^\circ(\ce{Cu^2+}/\ce{Cu}) = +0{,}34\,\text{V}\), \(E^\circ(\ce{O2}/\ce{H2O}) = +1{,}23\,\text{V}\), \(F = 96\,485\,\text{C/mol}\), \(M(\ce{Cu}) = 63{,}55\,\text{g/mol}\). Industrielle Zellspannung: 2,0 V.
- Formulieren Sie die Elektrodenreaktionen und begründen Sie, warum an der Anode kein Sulfat oxidiert wird.
- Ermitteln Sie die Zersetzungsspannung grafisch.
- Vergleichen Sie mit der theoretischen Zersetzungsspannung und deuten Sie die Abweichung.
- Beurteilen Sie den Energiebedarf pro Tonne Kupfer bei 2,0 V im Vergleich zum theoretischen Minimum.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Kathode: \(\ce{Cu^2+ + 2 e- -> Cu}\); Anode: \(\ce{6 H2O -> O2 + 4 H3O+ + 4 e-}\). Im Sulfat hat Schwefel bereits die höchste Oxidationszahl +VI, es kann nicht weiter oxidiert werden; Wasser wird oxidiert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die Punkte ab 2,0 V liegen auf einer Geraden mit 40 mA pro 0,2 V (200 mA/V). Verlängert bis I = 0: \(U_Z = 2{,}0\,\text{V} - \frac{40\,\text{mA}}{200\,\text{mA/V}} = 1{,}8\,\text{V}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\Delta E = 1{,}23\,\text{V} - 0{,}34\,\text{V} = 0{,}89\,\text{V}\). Die Differenz von etwa 0,9 V ist Überspannung, fast vollständig bei der Sauerstoffabscheidung an Platin (Tabellenwert ≈ 0,95 V); die Kupferabscheidung ist kaum gehemmt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(n(\ce{Cu}) = 1{,}574 \cdot 10^4\,\text{mol}\); \(Q = 3{,}04 \cdot 10^9\,\text{C}\); \(W = Q \cdot 2{,}0\,\text{V} = 6{,}07 \cdot 10^9\,\text{J} \approx 1{,}7\,\text{MWh}\); Minimum mit 0,89 V: 0,75 MWh. Über die Hälfte (ca. 55 %) geht als Wärme durch Überspannung und Badwiderstand verloren — Anoden mit geringerer O₂-Überspannung und bessere Leitfähigkeit senken die Kosten deutlich.