Technische Elektrolysen am Beispiel der Zementation

Technische Elektrolysen am Beispiel der Zementation Übung

• 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.