Galvanik und Ladungsdiffusion

Ladungstransport in Flüssigkeiten

Reines Wasser ist ein Isolator; enthält es allerdings gelöste Salze, Säuren oder Basen, so gibt es Ionen als frei bewegliche Ladungsträger. Eine derartige Lösung wird als Elektrolyt bezeichnet.

Taucht man zwei metallische Elektroden in einen Elektrolyt ein und legt eine elektrische Spannung an, so bewegen sich die positiv geladenen Ionen (Kationen) zur negativen Elektrode (Kathode); ebenso bewegen sich die negativ geladenen Ionen (Anionen) zur positiven Elektrode (Anode). Durch die Ionenbewegung findet also sowohl ein Ladungs- wie auch ein Materie-Transport statt.

An der negativ geladenen Kathode werden die positiven Ladungen der Kationen neutralisiert. Die abgegebene elektrische Ladung wird über die Spannungsquelle zur positiven Anode „gepumpt“, wo entsprechend die negativen Ladungen der Anionen neutralisiert werden. Als Folge dieses Ionentransports, der auch Elektrolyse genannt wird, setzen sich also positive geladenen Metall- beziehungsweise Wasserstoff-Ionen an der Kathode ab, während sich an der Anode negativ geladene Sauerstoff-Ionen beziehungsweise Säurereste absetzen.

Die Faradayischen Gesetze

Die Faradayischen Gesetze beschreiben den Zusammenhang zwischen der bei einer Elektrolyse transportierten Ladung Q und der an den Elektroden abgeschiedene Masse m:

  • Bei einfach geladenen Ionen ist die von einer Elektrode aufgenommene Masse m proportional zur aufgenommenen beziehungsweise abgegebenen Ladungsmenge Q:

    m \propto Q \quad \text{beziehungsweise} \quad m \propto I \cdot t

    Um ein Mol eines Stoffes an einer Elektrode abzuscheiden, muss die Ladungsmenge Q_{\mathrm{mol}} = N_{\mathrm{A}} \cdot e abgegeben werden, wobei die Avogadro-Konstante N_{\mathrm{A}} = \unit[6,022 \cdot 10^{23}]{\frac{1}{mol}} die Anzahl der Teilchen je Mol und e=\unit[1,6 \cdot 10^{-19}]{C} die Elementarladung angibt.

  • Bei mehrfach geladenen Ionen ist die von einer Elektrode aufgenommene Masse

Für eine Spannungserzeugung durch eine chemische Umsetzung sind zwei verschiedene Werkstoffe und eine stromleitende Flüssigkeit (Elektrolyt) notwendig.

Elektrolytische Spannungsreihe

Material Spannung
Lithium -3.045V
Kalium -2.92V
Calcium -2.76V
Natrium -2.71V
Magnesium -2.34V
Aluminium -1.67V
Mangan -1.07V
Zink -0.76V
Chrom -0.56V
Eisen -0.44V
Cadmium -0.40V
Nickel -0.23V
Zinn -0.14V
Blei -0.12V
Wasserstoff -0.00V
Kupfer +0.35V
Kohle +0.74V
Silber +0.80V
Quecksilber +0.80V
Platin +1.20V
Gold +1.40V

Je nachdem welche chemischen Elemente kombiniert werden, erhält man durch Zugabe eines Elektrolyts unterschiedliche Spannungen.

Elektrochemische Korrosion:

Grund für die elektrochemische Korrosion: Durch zwei unterschiedliche Metalle und ein Elektrolyt entsteht ein galvanisches Element. Abhilfe schafft beispielsweise Lackieren oder Fetten.