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Elektrochemische Spannungsreihe

Elektrochemische Vorgänge

Um die wesentlichen Vorgänge der Elektrolyse besser verstehen zu können ist es sinnvoll, sich mit einigen chemischen und metallurgischen Basiskenntnissen zu beschäftigen. Begriffe wie Osmotischer Druck, Lösungsdruck oder die Elektrochemische Spannungsreihe tauchen in diesem Zusammenhang auf.

Lösungsdruck, Osmotischer Druck und Elektrochemische Spannungsreihe

Metalle sind die chemischen Elemente, die bei elektrochemischen Vorgängen oder chemischen Reaktionen, im Normalfall Elektronen abgeben. Sie werden dadurch zu Kationen, also positiv geladene Ionen. Die Nichtmetalle hingegen nehmen vorzugsweise Elektronen auf, wodurch sich Anionen (negativ geladene Ionen) bilden.

elektrochemische Spannungsreihe
elektrochemische Spannungsreihe

Zudem hat jedes Metall eine Neigung in strom- leitenden Flüssigkeiten, wie beispielsweise Salzlösungen oder Säuren, Kationen an die Flüssigkeit (Elektrolyt) abzugeben. Diese Eigenschafte nennt man den Lösungsdruck. Die Neigung Ionen aus einer Lösung aufzunehmen wird hingegen als osmotischer Druck bezeichnet. Je unedler ein Metall ist, umso größer ist der Lösungsdruck und entsprechend geringer ist der osmotische Druck. Bei Edelmetallen hat der Lösungsdruck hingegen nur einen minimalen Wert.

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In der elektrochemischen Spannungsreihe werden die Metalle nach ihrer „Edelheit“ aufgelistet, das heißt nach der Spannung, die sich aufgrund der Ladungsverschiebung ergibt (Normalpotential). Durch die abgegebenen Ionen lädt sich das Elektrolyt positiv, was zur Folge hat, dass sich das Metall durch zurückbleibenden freien Elektronen negativ lädt. Dadurch kommt die Abgabe von Metallionen an die Lösung auch nach kurzer Zeit zum Stillstand. Daher stellt die elektrochemische Spannungsreihe ein wichtiges Hilfsmittel im Umgang mit elektrochemischen Prozessen dar.

Elektrochemische Korrosion

Ein weiteres Metall kann diesen beschriebenen Vorgang verhindern. Daher wird bei der sogenannten elektrochemischen Korrosion das unedlere von zwei Metallen, die gemeinsam in ein Elektrolyt getaucht sind, nach und nach vollkommen aufgelöst, sofern sich durch einen direkten metallischen Kontakt außerhalb des Elektrolyten ein geschlossener Stromkreis ausbilden kann. Je weiter die beiden Metalle in der elektrochemischen Spannungsreihe auseinander stehen, umso schneller vollzieht sich dieser Prozess. Das edlere Metall bleibt dabei völlig unangetastet. Außerdem wird bei diesem Vorgang eine elektrische Spannung und dadurch ein Stromfluss erzeugt. In Batterien und Akkumulatoren nutzt man dies technisch, bei metallischen Werkstücken dagegen wirkt sich die elektrochemische Korrosion störend auf die Beständigkeit der Waren aus.

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Lötnähte laufen beispielsweise durch die Einwirkung von Luftfeuchtigkeit, Schweiß, Cremes usw. (Elektrolyt) schnell an, weil sie unedler sind als das Grundmetall. Das Gleiche gilt auch, wenn man einen goldenen Ohrstecker mit einer silbernen Ohrmutter (oder umgekehrt) sichert. Das Silberelement läuft schnell an.

Elektrolyse, Möglichkeit zum Färben von Metallen

Elektrolyse

Unter Elektrolyse versteht man allgemein alle Vorgänge, die sich mit Hilfe von elektrischer Spannung in einer wässrigen Lösung vollziehen.

Werden zwei Metallstäbe, die sich nicht berühren in chemisch reines Wasser und verbindet einem mit dem Pluspol und den anderen mit dem Minuspol einer Stromquelle, so fließt praktisch kein Strom, da reines Wasser ein schlechter Leiter ist. Gibt man aber ein Salz, eine Lauge oder Säure in das Wasser, so fließt Strom. Die Auflösung an sich nicht leitender Stoffe in Wasser sorgen für eine Leitfähigkeit. Diese entstandene Lösung wird als Elektrolyt bezeichnet. Die Stoffe, die den Stromübertritt in den Elektrolyten gewähren, heißen Elektroden. An der Anode (Pluspol) tritt der Strom in die Lösung ein, an der Kathode (Minuspol) tritt er wieder aus.

An den Grenzflächen der jeweiligen Elektroden und Elektrolyten erfolgt eine elektrolytische Metallabscheidung, die entweder für eine Oxidation Elektronen bereitstellen oder für eine Reduktion Elektronen benötigen. Hierzu ist Gleichstrom notwendig, damit die Reaktionen in die gewünschte Richtung ablaufen.

Dieses war bereits vor 2000 Jahren bekannt. Das Volk der Parther (ein Stamm in Persien) war bereits in der Lage, mit Hilfe einer Batterie Metallgegenstände auf galvanische Weise mit Gold zu überziehen. Diese Batterie bestand aus einer Terrakottavase (18 cm hoch), in die ein Zylinder aus Kupfer mit einem Eisenstab gesteckt waren. Das damals verwendete Elektrolyt ist nicht bekannt.

Galvanik

Im Edelmetallgewerbe bezeichnet man diesen elektrolytischen Vorgang (Elektrolyse) mit dem Begriff „Galvanik“ .

Elektrolyse - Luigi Galvani
Luigi Galvani

Diese Bezeichnung ist vom italienischen Naturforscher und Arzt Luigi Galvani abgeleitet worden. Er entdeckte  am 6.11.1789 in einem Froschschenkel-Versuch Phänomene, die er auf elektrische Entladungen im Körper des Tieres zurückführte.

Andere Forscher, insbesondere Alessandro Volta, führten die Beobachtungen von Galvani auf die Berührung verschiedener Leiter der ersten Klasse (Metalle) mit denen der zweiten Klasse (Elektolyte) zurück.   Schließlich entwickelte sich aus all diesen Beobachtungen die Lehre der Elektrizität.

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Folglich benötigt man eine entsprechende  Vorrichtung. Um Galvanisieren zu können sind verschiedene Geräte und Gegenstände erforderlich.

  • ein Gefäß für die elektrolytische Lösung (Glas- oder Kunststoff für kleine Bäder bis hin zu emaillierten Wannen)

  • ein Gleichstromrichter mit 220 V Wechselstrom-Netzanschluss

  • eine Anode (löslich oder unlöslich)

  • eine Kathode, die ist im Normalfall der zu galvanisierende Gegenstand

  • Leitungen, an denen die Elektroden frei schwebend im Elektrolyt hängen, der Abstand sollte mindestens 10 cm betragen.

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Mit einer derartigen Anlage zur Elektrolyse (auch Galvanik-Anlage) können unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren unterschiedliche metallische Überzüge mit Edelmetallen erzielt werden. Vor allem zum Färben, Veredeln oder als Schutz vor Oxidation setzt man die Galvanik ein.

Doch dazu in einem Artikel über´s Galvanisieren mehr.

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