Physikalische Chemie - LD Didactic

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Physikalische Chemie LD Handblätter Chemie Elektrochemie Galvanische Verfahren in der Technik C4.4.6.1 Galvanisieren eines Metalls Versuchsziele ...

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Physikalische Chemie

LD Handblätter Chemie

Elektrochemie Galvanische Verfahren in der Technik

C4.4.6.1

Galvanisieren eines Metalls

Versuchsziele  Einen metallischen Gegenstand mit einem edleren Metall überziehen.  Metallbeschichtung durch Elektrolyse durchführen.  Den Prozess des Galvanisierens kennenlernen. Metallgegenstände werden aber auch oft durch Aufbringen einer Schicht aus einem unedleren Metall (Zink) geschützt. Wird die Schutzschicht verletzt, löst sich zuerst das unedlere Metall. So kann die Korrosion am edleren Metall herausgezögert werden. Dosen für Lebensmittel z. B. werden aus Stahlblech hergestellt. Durch elektrolytische Veredelung mit Zinn (beziehungsweise Chrom) wird das Stahlblech zu Weißblech und somit vor Korrosion geschützt. Da durch das Galvanisieren auch z.B. Stahl und Eisen gegen Durchrostung geschützt werden können, besitzt dieses Verfahren einen sehr großen Anwendungsbereich und spielt eine wichtige Rolle.

Grundlagen Galvanisieren ist ein Verfahren, bei dem auf elektrolytischem Weg Gegenstände mit einer dünnen Metallschicht überzogen werden. So können Gegenstände z. B. verkupfert, verchromt oder versilbert werden. Die Galvanotechnik ist nach dem Physiker Luigi Galvani benannt, dem Entdecker der galvanischen Elektrizität. Es wird aber davon ausgegangen, dass schon in der Antike die Vergoldung von Gegenständen mithilfe von Galvanotechniken bekannt war.

Damit die aufzubringende Metallschicht gut an der Oberfläche haftet, werden die Gegenstände meist vorher poliert und gründlich entfettet.

Bei der Galvanisierung schützt die Metallschicht des edleren Metalls das unedlere Metall vor Oxidation und Korrosion. Außerdem wird der Gegenstand mit dem edleren Metall optisch aufgewertet. Armaturen in Bad und Küche werden häufig verchromt, damit sie glänzen. Modeschmuck wird versilbert. Dadurch ist der Schmuck preiswerter, als wenn er komplett aus dem Edelmetall bestehen würde. Edelstahlbesteck wird häufig vergoldet, da Gold absolut geschmacksneutral ist und das Besteck außerdem nicht mehr anlaufen kann.

BN-2014-07

Im Versuch wird durch Galvanisieren ein Metallgegenstand (z.B. Schlüssel, Nagel) mit einer dünnen Kupferschicht überzogen. Dabei wird der Gegenstand als Kathode geschaltet und in eine Kupfersulfat-Lösung getaucht. Als Anode dient ein Kupferblech, welches ebenfalls in die Kupfersulfat-Lösung getaucht wird. Durch Einschalten einer Gleichstromquelle wird der Vorgang gestartet.

Abb. 1: Versuchsaufbau.

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LD Handblätter Chemie Gefährdungsbeurteilung

Natriumhydroxid, Plätzchen Gefahrenhinweise

Kalilauge und Natriumhydroxid wirken ätzend. Nach Möglichkeit laugenbeständige Schutzkleidung tragen und möglichst im Abzug arbeiten. Schutzbrille tragen und Hautkontakt vermeiden.

H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.

Kupfer(II)-sulfat-5-hydrat ist toxisch für Wasserorganismen und darf nicht in Gewässer, Abwasser oder ins Erdreich gelangen.

Signalwort: Gefahr

Gefahrenhinweise

P301+P330+P331 BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen.

H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.

P309+P310 BEI Exposition oder Unwohlsein: Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM oder Arzt anrufen.

H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. Sicherheitshinweise

P305+P351+P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.

P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz / Gesichtsschutz tragen. P303+P361+P353 BEI KONTAKT MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle beschmutzten, getränkten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen/duschen.

Geräte und Chemikalien

H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.

1 Demogerät Elektrochemie, CPS............... 664 4071 1 Standfüße, Paar ....................................... 301 339 1 Becherglas, Boro 3.3, 100 ml, hF ............. 664 137 1 Becherglas, Boro 3.3, 250 ml, hF ............. 664 138 1 Plattenelektrode Kupfer, Satz 10 .............. 664 382 1 Experimentierkabel, 50 cm, rot/blau ......... 501 45 1 Schnabelklemmen, blank, 6 Stück ........... 501861 1 Heizplatte ................................................. 666 767 1 Pinzette .................................................... 667 0344 1 Compact-Waage………………………….. . OHCS-200E 3 Uhrglas, 60 mm Ø .................................... 664 153 1 Kalilauge 1N (1 mol/l), 1 l ......................... 672 4460 1 Kupfer(II)-sulfat-5-hydrat, 100 g ............... 672 9600 1 Kaliumnatriumtartrat, 250 g ...................... 672 6710 1 Natriumhydroxid, 100 g ............................ 673 6800 1 Wasser, rein 1 l ........................................ 675 3400 Zusätzlich erforderlich: Gegenstand zum Galvanisieren: z. B. ein Schlüssel, ein Nagel (möglichst kein Gegenstand aus Eisen)

H319 Verursacht schwere Augenreizung.

Versuchsaufbau und -vorbereitung

H315 Verursacht Hautreizungen.

Ansetzen der Elektrolytlösung:

H410 Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung.

Hierzu werden folgende Mengen auf je einem Uhrglas abgewogen: 2 g Kupfersulfat-5-hydrat, 20 g Kaliumnatriumtartrat und 2 g Natriumhydroxid. Anschließend werden die Chemikalien in ein 250-ml-Becherglas gegeben und in 200 ml destilliertem Wasser gelöst.

P305+P351+P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. P309+P310 BEI Exposition oder Unwohlsein: Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM oder Arzt anrufen. P301+P330+P331 BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen. Kupfer(II)-sulfat-5-hydrat Gefahrenhinweise

Signalwort: Achtung

Sicherheitshinweise P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz / Gesichtsschutz tragen.

Kalilauge, 1N (1 mol/l)

Signalwort: Gefahr

H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.

Sicherheitshinweise P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden

Vorbereitung des Gegenstandes:

P302+P352 BEI KONTAKT MIT DER HAUT: Mit viel Wasser und Seife waschen.

Der metallene Gegenstand, der verkupfert werden soll, muss sauber und fettfrei sein. Dazu wird er zuerst in Kalilauge gesäubert. Das 100-ml-Becherglas mit Kalilauge füllen und auf einer Heizplatte erhitzen. Den metallenen Gegenstand mit einer Pinzette in die heiße Lauge geben und einige Minuten in der Kalilauge lassen.

P305+P351+P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.

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C4.4.6.1

LD Handblätter Chemie Achtung: Die Lösung ist heiß und gefährlich! Kalilauge wirkt ätzend. Dann mit der Pinzette den Gegenstand entnehmen, kräftig mit Wasser abwaschen und trocknen lassen. Das Demogerät Elektrochemie in die beiden Standfüße stellen, ans Netz anschließen.

Elektrochemie nun mit Schalter 18 einschalten. Nachdem dies geschehen ist, kann am Netzteil mit dem Drehregler (4) eine Spannung von 3 V eingestellt werden.

Beobachtung Die Lösung fängt sofort nach dem Anschalten an zu schäumen. Nach circa 5 Minuten ist der metallische Gegenstand mit einer dünnen Kupferschicht (rot) überzogen.

Auswertung und Ergebnis Sobald die Spannung eingeschaltet ist geht das Kupfer aus der Kupfer-Elektrode in Lösung und wandert zu dem Metallgegenstand und setzt sich dort ab. Der zuerst silberfarbene Schlüssel ist jetzt mit einer hellroten Kupferschicht überzogen. An Kathode und Anode treten folgende Reaktionen auf: Anode (Kupfer-Elektrode): 0

Oxidation von Kupfer

+II

Cu(s)

2+

-



Cu (aq) + 2 e



Cu(s)

Kathode (metallischer Gegenstand): +II

Reduktion von Kupferionen

Abb. 2 Demonstrationsgerät Elektrochemie.

Versuchsdurchführung: Das 250-m-Becherglas mit der Elektrolytlösung dient als Galvanisierbad. Der metallische Gegenstand wird als Kathode (Minuspol) und die Kupfer-Elektrode als Anode (Pluspol) mit dem Demonstrationsgerät Elektrochemie verbunden. Hierzu dienen Schnabelklemmen, sowie ein blaues und ein rotes Experimentierkabel (vgl. Abb. 1). Diese werden mit dem Ausgang des Netzteils (5) verbunden (vgl. Abb. 2). In die Lösung werden nun die für den Versuch vorbereitete Kathode (metallischer Gegenstand) und Anode (Kupferelektrode) getaucht, so dass beide sich nicht berühren. Weiterhin muss sichergestellt werden, dass das Demonstrationsgerät auf Gleichstrom (DC) (2) geschaltet ist. Das Demonstrationsgerät

Cu

2+

(aq) + 2 e

-

0

An der Anode wird das Kupfer (Kupfer-Elektrode) oxidiert und geht in Lösung. An der Kathode werden die Kupfer-Ionen reduziert und setzen sich auf den Metallgegenstand ab. Damit Metallüberzüge fest haften und gleichmäßig sind, darf pro Zeiteinheit nur eine kleine, möglichst gleichbleibende Menge an Metall (hier Kupfer) abgeschieden werden. Man verhindert mit Komplexbildnern, die dem Galvanisierbad zugesetzt werden, dass zu viele Metallionen in der Lösung sind. In unserem Fall wurde Kaliumnatriumtartrat als Komplexbildner verwendet.

Reinigung und Entsorgung Die Elektrolytlösung in den Behälter für anorganische Lösungen geben.

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