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2020 | Buch

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Angewandte Elektrochemie

Grundlagen, Messtechnik, Elektroanalytik, Energiewandlung, technische Verfahren

verfasst von: Prof. Dr. Peter Kurzweil

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Buch will praktische Fragen der Energiewende beantworten, die zeitgemäße Konzepte für neue Anwendungen von der Elektrotraktion bis zur Wasserstofftechnik fordert: Wie misst man ein Elektrodenpotential? Was sagt ein Cyclovoltagramm aus? Wie baut man elektrochemische Zellen und Sensoren? Welche Vor- und Nachteile hat eine Brennstoffzelle? Welche Elektrolyseverfahren sind Stand der Technik? Welche Zukunftsvisionen eröffnet die Fotokatalyse? Und vieles mehr. Dieses Buch bietet Studierenden der Naturwissenschaften und Ingenieurdisziplinen eine Einstiegs- und Praxishilfe in die Welt der angewandten Elektrochemie. Die Fachkunde über Labormethoden und elektrochemische Messverfahren soll die Forschungsarbeit begleiten.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen

Frontmatter

Kapitel 1. Was ist Elektrochemie?

Zusammenfassung

Chemie ist die Lehre von den Stoffen und Stoffumwandlungen. Physik erforscht Zustandsänderungen. Die Elektrochemie – als Teilgebiet der Physikalischen Chemie – verbindet die Elektrizitätslehre mit den chemischen Phänomenen an der Kontaktfläche zwischen Elektronenleiter (Elektrode) und ionischem Medium (Elektrolyt).

Peter Kurzweil

Kapitel 2. Elektrochemische Zellen und Elektrodenvorgänge

Zusammenfassung

In Metallen und Halbleitern sind Elektronen und Defektelektronen (Löcher) die Träger der elektrischen Ladung Q. In wässrigen Lösungen und Festelektrolyten transportieren Ionen den elektrischen Strom. Kationen sind positiv geladene Teilchen.

Peter Kurzweil

Kapitel 3. Elektrolyt und Doppelschicht

Zusammenfassung

Elektrolyte (Ionenleiter) transportieren elektrische Ladung mittels beweglicher Ladungsträger. Der innere Ionenstrom im Elektrolyt zwischen den Elektroden schließt den äußeren Stromkreis mit Elektronenfluss zum elektrischen Verbraucher.

Peter Kurzweil

Kapitel 4. Elektrodenkinetik

Zusammenfassung

Der langsamste Teilschritt bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit: Bei kleinen Strömen ist es meist der Durchtrittsvorgang, bei hohen Strömen die Diffusion. Jede kinetische Hemmung wirkt auf die Zelle wie ein Spannungsabfall oder Widerstand. Die Geschwindigkeit der Elektrodenreaktion hängt zudem ab von äußeren Variablen (Temperatur, Druck, Potential, Strom), den Eigenschaften der Elektrode (Material, Oberfläche, Geometrie), dem Elektrolyt (Konzentration, pH, Lösemittel) und dem Stofftransport (Strömung, Diffusion, Konvektion, Adsorption).

Peter Kurzweil

Messmethoden und Elektroanalytik

Frontmatter

Kapitel 5. Elektroanalytik und Sensorik

Zusammenfassung

Elektroanalytische Methoden sind automatisierbar und erkennen Titrationsendpunkte auch in gefärbter Lösung. Die elektrometrischen Methoden messen das Elektrodenpotential E (Potentiometrie), den Strom I (Amperometrie), die elektrische Ladung Q (Coulometrie) oder den Widerstand R (Konduktometrie). Stationäre Methoden arbeiten mit konstanten, instationäre Methoden (transiente Methoden) mit zeitlich veränderlichen Strömen und Spannungen.

Peter Kurzweil

Kapitel 6. Korrosion und Korrosionsschutz

Zusammenfassung

Korrosion zerstört Materialien durch chemische und elektrochemische Reaktionen. Kein Werkstoff widersteht auf Dauer allen Chemikalien und Umwelteinflüssen.

Peter Kurzweil

Elektrochemische Energiewandler

Frontmatter

Kapitel 7. Batterien und Akkumulatoren

Zusammenfassung

Eine Batterie (Primärelement) wandelt chemische Energie irreversibel in elektrische Energie und Wärme um und ist nicht wiederaufladbar. Ein Akkumulator (Sekundärelement, engl. secondary battery) ist wiederaufladbar, wobei der Ladevorgang das galvanische Element erzeugt. In der internationalen Fachliteratur steht „battery“ oftmals auch für wiederaufladbare Systeme.

Peter Kurzweil

Kapitel 8. Brennstoffzellen

Zusammenfassung

Eine Brennstoffzelle ist keine thermische Maschine, sondern eine Batterie. Der Brennstoff, meist Wasserstoff, verbrennt nicht mit Feuererscheinung und Wärmefreisetzung, sondern wird still mit Luftsauerstoff elektrochemisch oxidiert. Brennstoffzellen wandeln die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie direkt in Elektrizität um — ohne Umweg über Wärme! Innere Energie wird nicht als Wärme auf ein Arbeitsmedium wie Wasser oder Dampf übertragen.

Peter Kurzweil

Kapitel 9. Flussbatterien

Zusammenfassung

Eine Flussbatterie, engl. Redox Flow Battery, ist ein galvanischer Speicher mit löslichen Reagentien, die aus Vorratstanks an einer Membran zusammengeführt werden. Metallionen mit mehreren Oxidationsstufen in wässriger Lösung gehen reversible Redoxreaktionen ein.

Peter Kurzweil

Elektrolytische Stoffumwandlung

Frontmatter

Kapitel 10. Elektrolyse

Zusammenfassung

Elektrolyse ist die Zersetzung eines festen, flüssigen oder schmelzflüssigen Ionenleiters (Elektrolyt) durch einen von außen aufgezwungenen elektrischen Strom. Plus- und Minuspol sind gegenüber eine Batterie vertauscht.

Peter Kurzweil

Kapitel 11. Galvanotechnik

Zusammenfassung

Galvanische Metallüberzüge entstehen durch kathodische Metallabscheidung. Das entfettete Werkstück taucht als Abscheidungskathode (Minuspol) in eine Metallsalzlösung des gewünschten, dekorativen oder korrosionsfesten Überzugs. Eine Opferanode liefert Metallionen nach.

Peter Kurzweil

Foto- und Bioelektrochemie

Frontmatter

Kapitel 12. Halbleiter und Fotoelektrochemie

Zusammenfassung

Thermische Emission (Glühemission). Freisatz von Elektronen beim Erhitzen von Festkörpern nach der Richardson-Gleichung (auch: Richardson-Dushman-Gleichung).

Peter Kurzweil

Kapitel 13. Bioelektrochemie

Zusammenfassung

Lebende Zellen verbrennen Nährstoffe nicht unkontrolliert, sondern oxidieren sie schrittweise durch Redoxsysteme (Mediatoren) unter Gewinnung von Adenosintriphosphat (ATP). In der biologischen Energiewährung ATP speichert die Säugetierzelle 2 ٠ 32;3 = 64;6 kJ/mol in zwei energiereich gebundenen Phosphatresten. Der Mensch setzt täglich etwa das halbe Körpergewicht an ATP um: 50. . . 133 kg, je nach Schwere der Arbeit (Energieumsatz 6400. . . 17000 kJ/d).

Peter Kurzweil

Elektrochemie der Elemente und Moleküle

Frontmatter

Kapitel 14. Elektrochemie der Elemente

Zusammenfassung

Die Elemente des Periodensystems der Gruppen 1, 2 und 13 bis 18 (Hauptgruppen Ia bis IIa) sind Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle.

Peter Kurzweil

Kapitel 15. Organische Elektrochemie

Zusammenfassung

Elektroorganische Synthesen [113] haben die Freiheitsgrade Strom und Potential – neben Druck, Temperatur und Konzentration –, um die Art und Geschwindigkeit der Reaktion zu steuern. Potentiostatische Elektrosynthesen verlaufen mit hoher Selektivität, ohne chemische Oxidationsmittel und bei bis zu ±2 V NHE, wenngleich nicht immer kostengünstig und mit Löslichkeits- und Stofftransportproblemen behaftet. Die kathodische Hydrodimerisierung von Acrylnitril zu Adiponitril, die Seitenkettenoxidation von Alkylaromaten und die Produktion perfluorierter Verbindungen haben großtechnische Bedeutung.

Peter Kurzweil

Technische Elektrochemie

Frontmatter

Kapitel 16. Elektrochemische Technik

Zusammenfassung

Die Raum-Zeit-Ausbeute ist die pro Zeiteinheit und Reaktorvolumen produzierte Masse des Zielprodukts. Vorteilhaft sind: (1) hohe Stromdichte, große Elektrodenoberfläche (▷Tab. 16.1), kleine Partikel in Feststoffschichten, (2) kleiner Elektrolytwiderstand, enger Elektrodenabstand, (3) guter Stofftransport, hohe Strömungsgeschwindigkeit mit Turbulenz, bewegliche Elektroden.

Peter Kurzweil

Kapitel 17. Elektrochemische Trennverfahren

Zusammenfassung

Elektrodialyse ist ein analytisch-technisches Verfahren zur Stofftrennung flüssig/flüssig, zum Beispiel zur Entsalzung von Meerwasser und küstennahem Grundwasser oder zur Abwasseraufbereitung. Ionische Verunreinigungen werden durch selektive Membranen im elektrischen Feld abgetrennt. Ein Konzentrationsgradient (Dialyse) erzwingt die Ionenbewegung durch dieMembran. Ein Modul aus 100–200 Dreikammereinheiten arbeitet bei mehreren hundert Volt.

Peter Kurzweil

Backmatter

Titel: Angewandte Elektrochemie
verfasst von: Prof. Dr. Peter Kurzweil
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-32421-6
Print ISBN: 978-3-658-32420-9
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-32421-6