Chemie für Bastler

Chemie für Bastler
Dipl.-Chem. (Univ.) Markus Walther
Lehrstuhl für Theoretische Chemie
Computer Chemie Centrum
Arbeitsgruppe Prof. Zahn
[email protected]
Grundlagen – Molarität 1
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Beispiel: A + 2B → C + D
–
Wie kann ich x Moleküle A und 2x Moleküle B abmessen?
–
1g A und 1g B enthalten eine unterschiedliche Anzahl von
Molekülen
Was ist die kleinste Einheit? Das Proton!
–
1g Wasserstoff enthät 6,022 * 1023 Protonen
–
m(p) ~ 2000*m(e) → Elektronenmasse ignorieren
–
m(p) ~ m(n)
Grundlagen – Molarität 2
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Einheiten:
–
1 Mol = 6,022 * 1023 Teilchen (Avogadro's Zahl)
–
Molare Masse eines Moleküls X = Anzahl der Protonen + Neutronen in einem Molekül X
= Masse (in Gramm) von 6,022 * 10 23 Molekülen von X
→ 1 Proton wiegt 1/(6,022 * 10 23) g
Zusammenfassung:
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1 Mol eines Atoms/Moleküls/… mit X Protonen und Neutronen wiegt X Gramm
und enthält 6,022 * 1023 Atome/Moleküle/… (unabhängig von X)
X wird als Molare Masse (Formelzeichen M, Einheit g/Mol) bezeichnet
Die Anzahl Mole wird als Stoffmenge (Formelzeichen n, Einheit Mol)
bezeichnet
n = m/M
Grundlagen – Molarität 3
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Gase
–
Gase sind schwer zu wiegen
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p ~ TN ~ TnR → n ~ p/(TR)
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N = Anzahl der Teilchen, R = Allgemeine Gaskonstante
–
T und p sind messbar, R ist bekannt
–
M kommt nicht vor → Unabängig von der Molaren Masse (!)
→ 1 Mol Gas (egal welches!) hat bei 1013 mbar und 0°C ein
Volumen von 22,4L
Grundlagen – Allgemeine
Gasgleichung 1
pV = nRT
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Gilt exakt nur für “ideale Gase” (also nie)
Gute erste Näherung, reicht für viele
Rechnungen aus
Bosslevel:
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Van-der-Waals-Gas
Grundlagen - Konzentration
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Verschiedene Arten Konzentration zu bestimmen:
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Volumen/Volumen
→ L/L
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Masse/Volumen
→ kg/L
–
Masse/Masse
→ kg/kg
–
Mol/Volumen
→ mol/L
–
Mol/Masse
→ mol/kg → Molalität
Bosslevel:
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Aktiviät & Chemisches Potential
→ Molarität
Grundlagen - Thermodynamik
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Alle Systeme möchten sich in ihren energetischen Gleichgewichtszustand
begeben
Bestimmt die Richtung aber nicht die Geschwindigkeit einer Reaktion
Der Weg ist irrelevant, mit gleichen Anfangs- und Endsystemen ist die
Energieänderung gleich
Hauptsätze der Thermodynamik:
–
0. Wenn die Systeme A und B im thermischen Gleichgewicht stehen, und gleichzeitig die
Systeme B und C im thermischen Gleichgewicht stehten folgt dass die beiden Systeme A
und C im thermischen Gleichgewicht stehen.
–
1. Die Gesamtenergie des Universums ist konstant
–
2. In jedem spontan ablaufendem Prozess nimmt die Gesamtentropie des Universums zu
–
3. Die Entropie eines perfekten Kristalls bei 0K ist Null
Bosslevel:
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Gibbsenergie
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Der Weg von A nach B ist im
Regelfall nicht eben
Eine Reaktion besitzt immer
eine Aktivierungsenerge
Kinetik bestimmt die
Reaktionsgeschwindigkeit aber
nicht die Reaktionsrichtung
ABER: Kinetik kann bestimmen,
welche von mehreren
möglichen Reaktionen abläuft
Bosslevel:
–
Helmholtzsche Doppelschicht
potentielle Energie
Grundlagen - Kinetik
Reaktionskoordinate
Grundlagen - Redoxreaktionen
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Redoxreaktionen sind
Elektronenübergangsreaktionen
Teilreaktionen
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Oxidation: Elektronenabgabe
–
Reduktion: Elektronenaufnahme
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Ox:
Zn → Zn2+ + 2e-
●
Red:
Cu2+ + 2e- → Cu
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Gesamt: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
Grundlagen - Halbzellen
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Ionen fließen über eine
Salzbrücke
Elektronen fließen über
einen Draht
Voltmeter
Ionenbrücke
Ionen der
unedleren
Elektrode in Lösung
edlere Elektrode
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Teile einer
Redoxreaktion
aufgetrennt
unedlere Elektrode
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Ionen der
edleren
Elektrode in Lösung
Grundlagen – Elektrochemisches
Potential
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Was ist edel und was ist
unedel, und bezogen auf
was?
Edel = Leicht zu reduzieren,
schwer zu oxidieren
Unedel = Leicht zu oxidieren,
schwer zu reduzieren
Spannung zwischen einer
Versuchselektrode und einer
Wasserstoffnormalelektrode
wird als Elektrochemisches
Potential bezeichnet
Grundlagen – Nernstsche Gleichung
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Das elektrochemische Potential ist
Konzentrationsabhängig
Potentiale in Tabellen sind immer
Standardpotentiale E0 (1mol/l, 273,15K, 105Pa)
Universelle
Gaskonstante
Temperatur
Aktivitäten der
Reaktanten
a Ox
c Ox
RT
RT
0
E=E +
ln
≈E +
ln
z e F a Red
z e F c Red
0
Resultierendes
Potential
Standardpotential
Anzahl
ausgetauschter
Elektronen
Faradaykonstante
Konzentrationen der
Reaktanten
Korrosion 1
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“Werner, das kann doch nicht
angehen, dass das hier einfach
so in der Gegend rumoxodiert”
– Meister Röhrich
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Korrosion von Metallen ist immer ein Redoxprozess
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In der Regel mit Sauerstoff als Oxidationsmittel
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Leitfähige Lösungen (Salzwasser) beschleunigen den Vorgang
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Beispiel Klassisches Rosten von Eisen:
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Fe + O2 → FeO2
Korrosion 2
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“Gute Korrosion”:
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Passivierung: Oxid bildet eine feste Schicht auf der
Oberfläche die weitere Korrosion verhindert
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Al, Mg
Opferelektroden
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Opferelektrode ist in elektrischem Kontakt mit dem zu schützenden
Metall (Lokalelement), hat negativeres Standardpotential
Opferelektrode oxidiert zuerst, Oxidation am Hauptobjekt wird
verhindert
Aber: Kann auch versehentlich passieren, und geht dann eher schief.
Beispiel: Stahlschrauben in Kupfer. Schrauben bilden
(unbeabsichtigte) Opferelektrode
Batterien - Grundprinzipien
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“Aufgetrenntes Lokalelement”
–
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2 Halbzellen, mit Ionenbrücke verbunden
Aufladbar und nicht aufladbar (“Primärzelle”)
Specific Energy, Wh/kg
400
Li/SOCl 2
Li/SO 2
Li/MnO 2
200
Zn/Ag 2 O (button)
Zn/HgO
100
Mg/MnO 2
Cd/HgO
Zn-Carbon
-40
-20
0
20
40
60
°C
10 000
Leistungsdichte in W/kg
Zn/Air
300
UltraCap-Kondensator
Doppelschicht-Kondensator
Elektrolyt-Kondensator
Li-Ion-Kondensator
Li-Ion-Akkumulator
Ni-MH-Akkumulator
Ni-Cd-Akkumulator
Blei-Akkumulator
1000
100
10
0,1
1
10
100
Energiedichte in Wh/kg
1000
Batterien - Begriffe
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●
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Leistungsdichte (W/kg): Abrufbare Leistung pro
Masseneinheit
Energiedichte (Wh/kg): Gespeicherte
Energiemenge pro Masseneinheit
Kapazität (Wh): Gespeicherte Energiemenge
einer Zelle
Innenwiderstand (Ohm): Maximaler
Entladestrom (I = U/R)
Batterien - Entladekurven
Batterietypen 1
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Zink-Alkali-Manganoxid (Alkaline)
–
Niedriger Preis, hohe Energiedichte
(450 kJ/kg)
–
Nicht wieder aufladbar
–
Die Standardbatterie
–
Nennspannung: 1,5V
–
Chemie:
●
Zn + 4OH- → [Zn(OH)4]2- + 2e-
●
MnO2 + H2O + e- → MnO(OH) + OH-
Batterietypen 2
●
Zink-Luft
–
Sehr hohe Energiedichte
(1200 kJ/kg)
–
Nicht wieder aufladbar
–
Geringer Platzbedarf, z.B. in Hörgeräten
–
Nennspannung: 1,4V
–
Chemie:
●
Zn + 4OH- → [Zn(OH)4]2- + 2e-
●
O2 + H2O + 4e- → 4OH-
Batterietypen 3
●
Bleiakkumulator
–
Geringe Energiedichte
(110 kJ/kg)
–
Lange Lebensdauer
–
Geringer Preis
–
Nennspannung: 2,04V
–
Entsorgung problematisch
–
Chemie:
●
Pb + SO42- → PbSO4 + 2e-
●
PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e- → PbSO4 + 2 H2O
Batterietypen 4
●
Nickel-Cadmium-Akkumulatoren
–
Wiederaufladbarer Ersatz für Alkaline-Zellen (gleiche
Bauform, fast gleiche Spannung)
–
Einfach zu laden
–
Geringe Energiedichte
(140 kJ/kg)
–
Entsorgung problematisch (Cadmium)
–
Chemie:
●
Cd + 2OH- ↔ Cd(OH)2 + 2e-
●
2NiO(OH) + 2H2O + 2e- ↔ 2Ni(OH)2 + 2OH-
Batterietypen 5
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Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren
–
Möglicher Ersatz für Alkalinebatterien
–
Nennspannung 1,32V
–
Höhere Energiedichte als NiCd (280 kJ/kg)
–
Geringer Preis
–
Benötigen spezielle Ladegeräte
–
Hohe Selbstentladung
–
Chemie:
●
MH + OH- → M + H2O + e-
●
NiO(OH) + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-
Batterietypen 6
●
Li-Ionen-Akkumulatoren
–
–
Sehr hohe Energiedichte (~600 kJ/kg)
Separator
Cu
Al
+
Li
Lange Lebensdauer
–
Hohe Leistungsdichte
–
Hoher Preis
+
Li
Legende
Kohlenstoff (Graphit)
–
Brandgefahr bei Beschädigung
und Überladung
→ Spezielle, komplizierte Ladeverfahren nötig
–
Chemie:
●
LinCm ↔ Cm + n Li+ + n e-
●
Li(a-n)MxOx + n Li+ + n e- ↔ LiaMxOx
+
Li
nicht-wässrige
Elektrolytlösung
Metall (Cobalt)
Lithium
Ladevorgang
Sauerstoff
Entladevorgang
Ladeverfahren 1
I
●
Konstantstrom
IK
t
●
Konstantspannung
I
IL
tL
●
Konstantstrom gepulst
(Pulsladen)
t
I
II
t
●
Konstantstrom mit Gegenstrom
(Reflexladen)
I
+IR
t
-I E
Ladeverfahren 2
●
Konstantstrom-Konstantspannung
–
●
Konstantstrom am Ladebeginn um Stromspitzen zu
vermeiden, danach Konstantspannung
Konstantstrom-Konstantspannung mit
Erhaltungsladung
–
Nach Ladeschluss wird mit einem geringen Strom
weitergeladen, der in etwa der Selbstentladung
entspricht
Ladeverfahren 3
●
Ladeabschlusserkennung
–
Temperaturüberwachung
–
Spannungsüberwachung
●
●
Zellspannung (Ladeschlussspannung erreicht)
Ladespannung (-dU-Erkennung)
Ladeverfahren 4
●
Li-Ionen-Akkumulatoren
–
Benötigen ein sehr komplexes Ladeverfahren
●
●
●
Strombegrenzung am Anfang
Ladeschlussspannungsüberwachung für jede Zelle
einzeln (Balancing)
Temperaturüberwachung
Vorsicht bei Selbstbauprojekten
Brandgefahr
Platinenätzen 1
●
Ziel: Selektiver Abtrag von Kupfer
●
Zwei Prozessschritte:
–
Auftrag einer Schutzschicht
●
●
●
–
Fotolack + Belichtung + Entwicklen
Aufbügeln von Lasertoner
Oldskool: Aufrubbeln von vorgefertigten Symbolen,
Leiterbahnen mit Edding
Ätzen des Kupfers
●
Oxidativer Abtrag von Kupfer
–
Cu → Cu2+ + 2e-
Platinenätzen 2
Oxidationsmittel:
●
Eisen-III-Chlorid: FeCl3
–
●
Natriumperoxodisulfat: Na2S2O8
–
●
Fe3+ + e- → Fe2+
S2O82- + 2e- → 2SO42-
Salzsäure + Wasserstoffperoxid: HCl + H2O2
–
H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O
(H+ aus der Salzsäure)
●
Schwefelsäure + Wasserstoffperoxid: H2SO4 + H2O2
“Piranha-Solution” Schnell, aber sehr gefährlich. Finger weg!
–
H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O
(H+ aus der Schwefelsäure)
Platinenätzen 3
●
Kupferabtrag: Schichtweise
Oberflächennachbeaarbeitung
●
Chemisch Zinn
–
Sn2+ + Cu → Sn + Cu2+
–
Aber:
●
●
–
●
●
E0: +0.35V
E0: -0.14V
Kupferionen werden Komplexiert
●
–
Cu2+ ↔ Cu
Sn2+ ↔ Sn
Thioharnstioff als Komplexierungsreagenz
Niedrige Cu2+-Konzentration verschiebt das Gleichgewicht nach rechts (NernstGleichung)
Vorsicht: Thioharnstoff steht im Verdacht,
krebserregend zu sein
Bosslevel: ENIG (Electroless nickel plated gold)
And now for something completely different
Flüssigkristalldisplays 1
●
●
“Flüssigkristall”
–
Flüssige Phase
–
Zeigt aber Anisotropien
(“Richtungsabhängigkeiten”)
ähnlich einem Kristallgitter
Optische Aktivität
–
Relevant für Displays
–
Elektrisch schaltbar
O
N
Flüssigkristalldisplays 2
●
Schaltbare Drehung der Polarisierung wird als
optischer “Transistor” (Schalter) genutzt.
6
5
4
3
2
1
The End

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