Elektrochemie
Elektrochemiebezeichnet mehrere verschiedene Teilgebiete innerhalb der Chemie. Sie ist zum einen eine Synthesemethode, präparative Elektrochemie oderElektrolyseoder Elektrosynthese, zum anderen ist sie ein Teilgebiet derPhysikalischen Chemie,welches sich mit dem Zusammenhang zwischen elektrischen und chemischen Vorgängen befasst. Weiterhin gibt es elektrochemische Methoden in derAnalytischen Chemie.DieTechnische Chemiekennt neben großtechnisch angewandten elektrochemischen Synthesemethoden noch dieBatterie- undBrennstoffzellentechniksowie dieGalvanotechnik.Wie schnell elektrochemische Prozesse ablaufen wird durch dieElektrochemische Kinetikbeschrieben.
Inhalt
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Wenn einechemische Reaktionmit einemelektrischen Stromverknüpft ist, so ist dies ein elektrochemischer Vorgang. Entweder wird dieRedoxreaktiondurch eine von außen angelegteelektrische Spannungerzwungen (Elektrolyse), oder es wird durch die chemische Reaktion geeigneter Substanzen eine messbare Spannung hervorgerufen (galvanisches Element). Diese Spannungen sind charakteristisch für die jeweiligen Reaktionen und sind auf einer Skala dokumentiert, derelektrochemischen Spannungsreihe.Der direkte Elektronenübergang zwischenMolekülen,IonenoderAtomenist kein elektrochemischer Vorgang; typisch für die Elektrochemie ist die räumliche Trennung vonOxidationundReduktion.
ElektrochemischeReaktionenlaufen in einergalvanischen Zelleab und immer alsRedoxreaktionen.Bei derElektrolyseund dem Aufladen einesAkkumulatorswird dabeiEnergiezugeführt, beim Entladen einerBatterieoder bei Stromentnahme aus einerBrennstoffzelleerhält man elektrische Energie, die bei reversiblen Prozessen derReaktionsenthalpieentspricht.
Der bei solchen Reaktionen auftretende Strom ist eine leicht zu erfassende Kenngröße, die zur Kontrolle sehr wertvoll ist. Es wird oft eine Strom-Spannungs-Kennlinieaufgenommen, die den gemessenen Strom bei Variation der Spannung darstellt. Die Gestalt einer solchen Kennlinie hängt neben den üblichenReaktionsparametern(Konzentration der beteiligten Stoffe, Temperatur, Größe der reaktiven Grenzflächen) auch von der Geschwindigkeit der Spannungsveränderung ab.
Die für die Elektrochemie entscheidenden Redox-Vorgänge laufen dabei an derPhasengrenzeElektrode-Elektrolytab. Man kann daher definieren: Elektrochemie ist dieWissenschaftder Vorgänge an derPhasengrenzezwischen einem Elektronenleiter (Elektrode) und einem Ionenleiter (Elektrolyt).
Geschichte
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Einen wichtigen Anstoß zur Entwicklung der Elektrochemie gaben die Versuche vonLuigi Galvanimit Froschschenkeln: dieMuskelnkontrahierten, wenn sie mit verschiedenenMetallenKontakt hatten.Alessandro Voltastellte 1799 die erste funktionierendeBatterieder Neuzeit her. Diese war – lange vor der Entwicklung desGenerators– eine äußerst wichtige Strom- und Spannungsquelle, die viele bedeutsame Entdeckungen ermöglichte, besonders auch die erstmalige Darstellung der MetalleNatrium,Kalium,Barium,Strontium,CalciumundMagnesiumin den Jahren 1807 und 1808 durchHumphry Davy.
Johann Wilhelm Ritterlieferte Ende des 18. Jahrhunderts wichtige Beiträge zum ThemaGalvanismusund konstruierte einen einfachen Akkumulator.Michael Faraday,der die BegriffeElektrode,Elektrolyt,Anode,Kathode,AnionundKationeinführte, entdeckte 1832 dieGrundgesetze der Elektrolyse.Im Jahr 1959 erhieltJaroslav Heyrovskýfür die Entwicklung eineselektrochemischen Analyseverfahrens,derPolarographie,denNobelpreisfür Chemie.
Schon in den Jahren 1887/1894 erkannteWilhelm Ostwald,dass leistungsfähige Brennstoffzellen für die Energieversorgung ein gewaltiges Zukunftspotential bieten müssten. Zu den wichtigen Entwicklungen des 20. Jahrhunderts gehört dementsprechend die Fortentwicklung der Brennstoffzelle, zunächst vor allem für Anwendungen im Weltraum: Für dasApollo-Programm,das 1969 zur Mondlandung führte, wurden Wasserstoff-Brennstoffzellen entwickelt, die auch trinkbares Wasser für die Astronauten lieferten. Auch imSpace Shuttledienten Wasserstoff-Brennstoffzellen zur Stromversorgung.
Anwendungen
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Herstellung chemischer Substanzen
- Reduktion vonMetallsalzenzur Herstellung unedler Metalle, vor allem durchSchmelzelektrolyse,z. B. zur Herstellung vonLithium,Natrium,Kalium,Calcium,MagnesiumundAluminium
Der elektrische Strom wirkt hier alsReduktionsmittel.Da die Spannung variiert werden kann, kann die Reduktionskraft angepasst werden. Der elektrische Strom ist das stärkste Reduktionsmittel der Chemie, mit dem auch die Kationen der unedelsten Metalle reduziert werden können.
Die elektrolytische Metallabscheidung wird auch in derGalvanotechnikgenutzt. - OxidationvonAnionen,z. B. vonHalogeniden,etwa zur Herstellung vonFluorundChlorin derChloralkalielektrolyse
- Der elektrische Strom erlaubtRedoxreaktionenohne die Zugabe von Reduktions- oder Oxidationsmitteln. Viele weitere Redoxreaktionen können daher elektrolytisch besonders elegant ausgeführt werden oder werden erst ermöglicht. Erwähnt seien in der präparativenorganischen ElektrochemiedieElektrofluorierung,die Dimerisierung vonAcrylnitrilzuAdipodinitriloder dieKolbe-Elektrolyse.Früher war außerdem die elektrochemischeGrignard-Reaktionzur Herstellung vonBleitetraethylvon Bedeutung.[1]
- Herstellung vonOzon-Sauerstoff-Gemischen durch Elektrolyse bei hohen Stromdichten
- Die Herstellung vonWasserstoffz. B. durch Elektrolyse von Wasser oder als zweitesProduktderChloralkalielektrolyse
- Reduktion vonMetallsalzenzur Herstellung unedler Metalle, vor allem durchSchmelzelektrolyse,z. B. zur Herstellung vonLithium,Natrium,Kalium,Calcium,MagnesiumundAluminium
- Galvanotechnikzur Herstellung metallischer Überzüge
- Bereitstellung einer elektrischen Spannung, vor allem für mobile Anwendungen, in
- Galvanische Zellen(Monozellen)
- Batterien
- Akkumulatoren
- Brennstoffzellen
- Verwendung des elektrischen Stroms bzw. Messung desPotentialsbei der Durchführung von chemischen Analysen und Untersuchungen:elektrochemische Analyse,vor allem
- Voltammetrie,z. B. dieCyclovoltammetriesowie diePolarographie,die eine Voltammetrie an einerQuecksilbertropfelektrodeist
- Amperometrie,z. B. die Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration mit einerClark-Elektrodeoder die elektrochemischenkontinuierlichen Glucosesensoren
- Potentiometrie;dazu zählen auch Untersuchungen mitionenselektiven Elektroden,z. B. diepH-Elektrode,diefluoridselektive Elektrodeund diekaliumselektive Elektrode
- Coulometrie,z. B. auch zur empfindlichen Bestimmung von Wasser mit dem coulometrischenKarl-Fischer-Verfahren
- Elektrogravimetrie,vor allem zur reduktiven Bestimmung von Metallionen wie Cu2+
- Auch an elektrochemischen DNA-Biosensoren und elektrochemischen DNA-Sequenzierungen wird geforscht.
- Elektrochemische Impedanzspektroskopie
- Untersuchungen zurThermodynamikund zum Mechanismus von Reaktionen, wichtig auch für dieKorrosionsforschung
Siehe auch
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Elektrolyse
- Bioelektrochemie
- Elektrochemisches Gleichgewicht
- Doppelschicht
- Photoelektrochemie
- Organische Elektrochemie
- Nernst-Gleichung
- Elektrochemisches Äquivalent
- Butler-Volmer-Gleichung
- Tafel-Gleichung
- Redoxreaktion
- oszillierende Reaktion
- Liste bedeutender Batterieforscher und Elektrochemiker
Literatur
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Peter W. Atkins,Physikalische Chemie,Wiley-VCH,ISBN 3-527-30236-0.
- Carl H. Hamann,Wolf Vielstich,Elektrochemie,4. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2005,ISBN 978-3-527-31068-5.
- Wolfgang Schmickler,Grundlagen der Elektrochemie,Springer 1996.
- Wolfgang-Dieter Luz, Eberhard Zirngiebl:Die Zukunft der Elektrochemie,Chemie in unserer Zeit, 23. Jahrg. 1989, Nr. 5, S. 151–160,ISSN0009-2851.
- Kurt Schwabe,Elektrochemie,Akademie-Verlag, Berlin 1974, 1975, 1986
- Gustav Kortüm,Lehrbuch der Elektrochemie,4. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim 1966.
