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2020 | Buch

Angewandte Elektrochemie

Grundlagen, Messtechnik, Elektroanalytik, Energiewandlung, technische Verfahren

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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
Metadaten
Titel
Angewandte Elektrochemie
verfasst von
Prof. Dr. Peter Kurzweil
Copyright-Jahr
2020
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