Brennt Aluminium im offenen Feuer? Wie erhält man eine gleichmäßige Flammenfarbe? Verbrennung von Aluminium-Magnesium-Legierungen in Luft

Es ist nicht schwer zu erraten, dass der Farbton einer Flamme durch die darin brennenden Chemikalien bestimmt wird, wenn durch die Einwirkung hoher Temperaturen einzelne Atome der brennbaren Substanzen freigesetzt werden und das Feuer färbt. Um den Einfluss von Stoffen auf die Farbe des Feuers zu ermitteln, wurden verschiedene Experimente durchgeführt, auf die wir im Folgenden eingehen.

Seit der Antike versuchen Alchemisten und Wissenschaftler herauszufinden, welche Substanzen abhängig von der Farbe, die die Flamme annimmt, brennen.

Die Flammen von Gaswarmwasserbereitern und -öfen, die in allen Häusern und Wohnungen vorhanden sind, haben einen blauen Farbton. Beim Verbrennen entsteht dieser Farbton durch Kohlenstoff, Kohlenmonoxid. Die gelb-orange Farbe der Flamme eines im Wald angezündeten Feuers oder von Haushaltsstreichhölzern ist auf den hohen Gehalt an Natriumsalzen im Naturholz zurückzuführen. Vor allem dank diesem - rot. Die Flamme eines Gasherdbrenners erhält die gleiche Farbe, wenn Sie sie mit gewöhnlichem Speisesalz bestreuen. Wenn Kupfer brennt, ist die Flamme grün. Ich denke, Sie haben bemerkt, dass die Haut grün wird, wenn Sie einen Ring oder eine Kette aus gewöhnlichem Kupfer tragen, die über längere Zeit nicht mit einer Schutzmasse überzogen ist. Das Gleiche geschieht beim Verbrennungsprozess. Bei hohem Kupfergehalt entsteht ein sehr helles grünes Licht, fast identisch mit Weiß. Dies kann man sehen, wenn man Kupferspäne auf einen Gasbrenner streut.

Viele Experimente wurden mit einem gewöhnlichen Gasbrenner und verschiedenen Mineralien durchgeführt. Auf diese Weise wurde ihre Zusammensetzung bestimmt. Sie müssen das Mineral mit einer Pinzette nehmen und in die Flamme legen. Die Farbe, die Feuer annimmt, kann auf die verschiedenen im Element vorhandenen Verunreinigungen hinweisen. Eine grüne Flamme und ihre Schattierungen weisen auf das Vorhandensein von Kupfer, Barium, Molybdän, Antimon und Phosphor hin. Bor erzeugt eine blaugrüne Farbe. Selen verleiht der Flamme einen blauen Farbton. In Gegenwart von Strontium, Lithium und Kalzium färbt sich die Flamme rot und in Gegenwart von Kalium violett. Die gelb-orange Farbe entsteht beim Verbrennen von Natrium.

Untersuchungen an Mineralien zur Bestimmung ihrer Zusammensetzung werden mit einem Bunsenbrenner durchgeführt. Die Farbe seiner Flamme ist gleichmäßig und farblos; sie stört den Versuchsverlauf nicht. Bunsen erfand den Brenner Mitte des 19. Jahrhunderts.

Er entwickelte eine Methode, mit der man die Zusammensetzung einer Substanz anhand der Flammenfarbe bestimmen kann. Vor ihm hatten Wissenschaftler versucht, ähnliche Experimente durchzuführen, verfügten jedoch nicht über einen Bunsenbrenner, dessen farblose Flamme den Verlauf des Experiments nicht beeinträchtigte. Er legte verschiedene Elemente auf einem Platindraht in das Brennerfeuer, da sich die Flamme durch die Zugabe dieses Metalls nicht verfärbt. Auf den ersten Blick scheint die Methode gut zu sein, auf eine aufwändige chemische Analyse kann verzichtet werden. Sie müssen nur das Element zum Feuer bringen und sehen, woraus es besteht. Doch Stoffe in reiner Form kommen in der Natur äußerst selten vor. Sie enthalten meist große Mengen verschiedener Verunreinigungen, die die Farbe der Flamme verändern.

Bunsen versuchte mit verschiedenen Methoden Farben und Schattierungen hervorzuheben. Zum Beispiel mit farbigem Glas. Nehmen wir an, wenn Sie durch blaues Glas schauen, sehen Sie nicht die gelbe Farbe, die das Feuer beim Verbrennen der gängigsten Natriumsalze annimmt. Dann wird der lila oder purpurrote Farbton des gewünschten Elements erkennbar. Aber auch solche Tricks führten in sehr seltenen Fällen zur korrekten Bestimmung der Zusammensetzung eines komplexen Minerals. Mehr könnte diese Technologie nicht leisten.

Heutzutage wird ein solcher Brenner nur noch zum Löten verwendet.

Flammen gibt es in verschiedenen Farben. Schauen Sie in den Kamin. Gelbe, orange, rote, weiße und blaue Flammen tanzen auf den Baumstämmen. Seine Farbe hängt von der Verbrennungstemperatur und dem brennbaren Material ab. Um dies zu veranschaulichen, stellen Sie sich die Spirale eines Elektroherds vor. Bei ausgeschalteter Kachel sind die Spiralwindungen kalt und schwarz. Nehmen wir an, Sie beschließen, die Suppe aufzuwärmen und den Herd anzustellen. Zunächst verfärbt sich die Spirale dunkelrot. Je höher die Temperatur steigt, desto heller wird die rote Farbe der Spirale. Wenn die Fliese ihre maximale Temperatur erreicht, verfärbt sich die Spule orangerot.

Natürlich brennt die Spirale nicht. Du siehst die Flamme nicht. Sie ist einfach richtig heiß. Wenn man es weiter erhitzt, verändert sich die Farbe. Zuerst wird die Farbe der Spirale gelb, dann weiß, und wenn sie noch stärker erhitzt wird, geht ein blaues Leuchten von ihr aus.

Ähnliches passiert mit Feuer. Nehmen wir als Beispiel eine Kerze. Verschiedene Bereiche einer Kerzenflamme haben unterschiedliche Temperaturen. Feuer braucht Sauerstoff. Wenn Sie eine Kerze mit einem Glasgefäß abdecken, erlischt das Feuer. Der zentrale Bereich der Kerzenflamme neben dem Docht verbraucht wenig Sauerstoff und erscheint dunkel. Die oberen und seitlichen Bereiche der Flamme erhalten mehr Sauerstoff, sodass diese Bereiche heller sind. Während sich die Flamme durch den Docht bewegt, schmilzt und knistert das Wachs und zerfällt in winzige Kohlenstoffpartikel. (Kohle besteht ebenfalls aus Kohlenstoff.) Diese Partikel werden von der Flamme nach oben getragen und verbrennen. Sie sind sehr heiß und glühen wie die Spirale Ihrer Fliese. Die Kohlenstoffpartikel sind jedoch viel heißer als die Spule der heißesten Fliese (die Verbrennungstemperatur des Kohlenstoffs beträgt etwa 1.400 Grad Celsius). Daher ist ihr Leuchten gelb. In der Nähe des brennenden Dochtes ist die Flamme noch heißer und leuchtet blau.

Die Flammen eines Kamins oder Feuers sehen meist bunt aus. Holz brennt bei einer niedrigeren Temperatur als ein Kerzendocht, daher ist die Grundfarbe des Feuers orange und nicht gelb. Einige Kohlenstoffpartikel in einer Feuerflamme haben eine ziemlich hohe Temperatur. Es gibt nur wenige davon, aber sie verleihen der Flamme einen gelblichen Farbton. Abgekühlte heiße Kohlenstoffpartikel sind Ruß, der sich auf den Schornsteinen absetzt. Die Brenntemperatur von Holz ist niedriger als die Brenntemperatur einer Kerze. Wenn Kalzium, Natrium und Kupfer auf hohe Temperaturen erhitzt werden, leuchten sie in verschiedenen Farben. Sie werden Raketenpulver zugesetzt, um die Lichter von Feiertagsfeuerwerken zu färben.

Flammenfarbe und chemische Zusammensetzung

Die Farbe der Flamme kann je nach den in den Holzscheiten oder anderen brennbaren Stoffen enthaltenen chemischen Verunreinigungen variieren. Die Flamme kann beispielsweise Natriumverunreinigungen enthalten.

Schon in der Antike versuchten Wissenschaftler und Alchemisten zu verstehen, welche Substanzen je nach Farbe des Feuers im Feuer brannten.

• Natrium ist Bestandteil von Speisesalz. Wenn Natrium erhitzt wird, färbt es sich leuchtend gelb.
• Kalzium kann ins Feuer gelangen. Wir alle wissen, dass Milch viel Kalzium enthält. Es ist Metall. Heißes Kalzium verfärbt sich leuchtend rot.
• Wenn Phosphor in einem Feuer verbrennt, verfärbt sich die Flamme grünlich. Alle diese Elemente sind entweder im Holz enthalten oder gelangen mit anderen Stoffen ins Feuer.
• Fast jeder hat zu Hause einen Gasherd oder einen Warmwasserbereiter, dessen Flammen blau gefärbt sind. Dies ist auf brennbaren Kohlenstoff, Kohlenmonoxid, zurückzuführen, der diesen Farbton verleiht.

Das Mischen der Farben einer Flamme, wie das Mischen der Farben eines Regenbogens, kann Weiß erzeugen, weshalb in den Flammen eines Feuers oder Kamins weiße Bereiche sichtbar sind.

Flammentemperatur beim Verbrennen bestimmter Stoffe:

Wie erhält man eine gleichmäßige Flammenfarbe?

Es wird verwendet, um Mineralien zu untersuchen und ihre Zusammensetzung zu bestimmen Bunsenbrenner, wodurch eine gleichmäßige, farblose Flammenfarbe entsteht, die den Verlauf des von Bunsen Mitte des 19. Jahrhunderts erfundenen Experiments nicht beeinträchtigt.

Bunsen war ein begeisterter Fan des Feuerelements und bastelte oft an Flammen. Sein Hobby war Glasblasen. Indem er verschiedene raffinierte Konstruktionen und Mechanismen aus Glas blies, konnte Bunsen den Schmerz nicht bemerken. Es gab Zeiten, da begannen seine schwieligen Finger aus dem heißen, noch weichen Glas zu rauchen, aber er achtete nicht darauf. Wenn der Schmerz bereits die Empfindlichkeitsschwelle überschritten hatte, rettete er sich mit seiner eigenen Methode: Er drückte mit den Fingern fest auf sein Ohrläppchen und unterbrach einen Schmerz durch einen anderen.

Er war der Begründer der Methode, die Zusammensetzung eines Stoffes anhand der Farbe der Flamme zu bestimmen. Natürlich versuchten Wissenschaftler vor ihm, solche Experimente durchzuführen, aber sie hatten keinen Bunsenbrenner mit einer farblosen Flamme, der das Experiment nicht störte. Er brachte verschiedene Elemente auf Platindraht in die Brennerflamme ein, da Platin die Farbe der Flamme nicht beeinflusst und diese nicht verfärbt.

Es scheint, dass die Methode gut ist, es ist keine komplexe chemische Analyse erforderlich; bringen Sie das Element zur Flamme und seine Zusammensetzung ist sofort sichtbar. Aber es war nicht da. In reiner Form kommen Stoffe in der Natur nur sehr selten vor, meist enthalten sie eine Vielzahl unterschiedlicher Verunreinigungen, die ihre Farbe verändern.

Bunsen probierte verschiedene Methoden zur Isolierung von Farben und ihren Schattierungen aus. Ich habe zum Beispiel versucht, durch farbiges Glas zu schauen. Beispielsweise löscht blaues Glas die gelbe Farbe aus, die von den häufigsten Natriumsalzen erzeugt wird, und man könnte einen purpurnen oder violetten Farbton des natürlichen Elements erkennen. Aber selbst mit Hilfe dieser Tricks war es nur einmal von hundert möglich, die Zusammensetzung eines komplexen Minerals zu bestimmen.

Das ist interessant! Aufgrund der Eigenschaft von Atomen und Molekülen, Licht einer bestimmten Farbe auszusenden, wurde eine Methode zur Bestimmung der Zusammensetzung von Stoffen entwickelt, die sogenannte Spektralanalyse. Wissenschaftler untersuchen das Spektrum, das ein Stoff beispielsweise beim Verbrennen abgibt, vergleichen es mit den Spektren bekannter Elemente und bestimmen so seine Zusammensetzung.

Aluminiumverbrennung

Aluminium brennt an der Luft

Im Gegensatz zu Magnesium entzünden sich einzelne Aluminiumpartikel nicht, wenn sie in Luft oder Wasserdampf auf 2100 K erhitzt werden. Zur Entzündung von Aluminium wurden brennende Magnesiumpartikel verwendet. Letztere wurden auf der Oberfläche des Heizelements platziert, und die Aluminiumpartikel wurden auf der Nadelspitze in einem Abstand von 10-4 m über ersterem platziert.

Wenn Aluminiumpartikel gezündet werden, erfolgt die Zündung in der Dampfphase und die Intensität der Glühzone, die um das Partikel herum entsteht, nimmt langsam zu. Die stationäre Verbrennung zeichnet sich durch das Vorhandensein einer Glühzone aus, deren Größe sich erst ändert, wenn das Metall fast vollständig ausgebrannt ist. Das Verhältnis der Größen der Glühzone und des Partikels beträgt 1,6-1,9. In der Glühzone bilden sich kleine Oxidtröpfchen, die beim Zusammenstoß verschmelzen.

Der Rückstand nach der Verbrennung des Partikels ist eine hohle Hülle, die kein Metall enthält. Die Abhängigkeit der Brenndauer eines Partikels von seiner Größe wird durch die Formel (symmetrische Verbrennung) ausgedrückt.

Verbrennung von Aluminium in Wasserdampf

Die Entzündung von Aluminium in Wasserdampf erfolgt heterogen. Der bei der Reaktion freigesetzte Wasserstoff trägt zur Zerstörung des Oxidfilms bei; Dabei wird flüssiges Aluminiumoxid (oder Hydroxid) in Form von Tröpfchen mit einem Durchmesser von bis zu 10-15 Mikrometern versprüht. Eine solche Zerstörung der Oxidhülle wird regelmäßig wiederholt. Dies deutet darauf hin, dass ein erheblicher Teil des Metalls auf der Oberfläche des Partikels verbrennt.

Zu Beginn der Verbrennung beträgt das Verhältnis rsv /R 0 entspricht 1,6-1,7. Während des Verbrennungsprozesses nimmt die Partikelgröße ab und das gs/o-Verhältnis steigt auf 2,0–3,0. Die Verbrennungsgeschwindigkeit eines Aluminiumpartikels in Wasserdampf ist fast fünfmal höher als in Luft.

Verbrennung von Aluminium-Magnesium-Legierungen

Verbrennung von Aluminium-Magnesium-Legierungen in Luft

Die Zündung von Partikeln aus Aluminium-Magnesium-Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung in Luft, Sauerstoff-Argon-Gemischen, Wasserdampf und Kohlendioxid verläuft in der Regel ähnlich wie die Zündung von Magnesiumpartikeln. Dem Beginn der Entzündung gehen oxidative Reaktionen an der Oberfläche voraus.

Die Verbrennung von Aluminium-Magnesium-Legierungen unterscheidet sich erheblich von der Verbrennung von Aluminium und Magnesium und hängt stark vom Verhältnis der Komponenten in der Legierung und von den Parametern der oxidierenden Umgebung ab. Das wichtigste Merkmal der Verbrennung von Legierungspartikeln ist der zweistufige Prozess (Abb. 2.6). In der ersten Stufe wird das Partikel von einer Reihe von Fackeln umgeben, wodurch eine ungleichmäßige Lumineszenzzone der Reaktionsprodukte entsteht. Vergleicht man die Art und Größe der leuchtenden Zone, die das Legierungsteilchen während der ersten Verbrennungsstufe umgibt, mit der Art und Größe der leuchtenden Zone um das brennende Magnesiumteilchen (siehe Abb. 2.4), können wir schließen, dass in dieser Stufe hauptsächlich Magnesium vorhanden ist brennt aus dem Teilchen heraus.

Reis. 2.6. Verbrennung eines Legierungspartikels aus 30 % Al + 70 % Mg bei normalem Atmosphärendruck in einer Mischung mit 15 Vol.-% O 2und 85 % Ar:

1, 2 – Magnesium-Burnout; 3-6 – Ausbrennen von Aluminium

Ein Merkmal der ersten Stufe der Legierungsverbrennung ist die Konstanz der Partikelgröße und der Flammenzone. Dies bedeutet, dass der flüssige Tropfen der Legierung in einer festen Oxidhülle enthalten ist. Der Oxidfilm wird von Magnesiumoxid dominiert. Durch Filmdefekte strömt Magnesium aus und verbrennt in einer Dampfphasendiffusionsflamme.

Am Ende der ersten Stufe nimmt das Auftreten heterogener Reaktionen zu, was durch das Auftreten heller Lumineszenzherde auf der Oberfläche des Partikels belegt wird. Die bei heterogenen Reaktionen freigesetzte Wärme trägt zur Erwärmung des Partikels auf den Schmelzpunkt des Oxids und zum Beginn der zweiten Verbrennungsstufe bei.

In der zweiten Verbrennungsstufe ist das Partikel von einer gleichmäßigen, helleren Glühzone umgeben, die mit dem Ausbrennen des Metalls abnimmt. Die Homogenität und Sphärizität der Flammenzone zeigt an, dass der Oxidfilm auf der Oberfläche des Partikels geschmolzen ist. Die Diffusion des Metalls durch den Film wird durch den geringen Diffusionswiderstand des flüssigen Oxids gewährleistet. Die Größe der Flammenzone übersteigt die Partikelgröße deutlich, was auf eine Verbrennung des Metalls in der Dampfphase hinweist. Ein Vergleich der Art der zweiten Verbrennungsstufe mit dem bekannten Muster der Aluminiumverbrennung zeigt eine große Ähnlichkeit; es ist wahrscheinlich, dass Aluminium in dieser Phase des Prozesses verbrennt. Beim Ausbrennen verringert sich die Größe der Flamme und damit auch der brennende Tropfen. Das verbrannte Teilchen glüht lange.

Die Veränderung der Größe der Glühzone eines brennenden Teilchens nach dem beschriebenen Mechanismus ist komplex (Abb. 2.7). Nach der Zündung der Wert R St. /R 0 erreicht schnell (in -0,1 ms) den Maximalwert (Abschnitt ab). Darüber hinaus beträgt das Verhältnis während der Hauptzeit der ersten Verbrennungsstufe R St/ R 0 bleibt konstant (Abschnitt bv). Wenn der Magnesium-Burnout endet, R Lebenslauf/ R 0 wird auf ein Minimum reduziert (Punkt G), und dann, mit Beginn der Aluminiumverbrennung, nimmt sie zu (Abschnitt gd). Endlich, aber als Aluminium ausbrennt R St. /R 0 nimmt monoton ab (Abschnitt de) auf einen Endwert, der der Größe des gebildeten Oxids entspricht.

Reis. 2.7.:

1 – Legierung 30 % Al + 70 % Mg, Luft; 2 – Legierung 30 % A1 + 70 % Mg, Mischung 15 % O2 + 85 % Ar; 3 – Legierung 50 % A1 + 50 % Mg, Luft

Der Mechanismus und die Parameter des Verbrennungsprozesses von Aluminium-Magnesium-Legierungen hängen maßgeblich von der Zusammensetzung der Legierung ab. Mit abnehmendem Magnesiumgehalt in der Legierung nimmt die Größe der Glühzone während der ersten Verbrennungsstufe und die Dauer dieser Stufe ab. Wenn der Magnesiumgehalt in der Legierung weniger als 30 % beträgt, bleibt der Prozess ein zweistufiger Prozess, wird jedoch intermittierend. Am Ende der ersten Stufe verkleinert sich die Glühzone auf die Größe des Partikels selbst, der Verbrennungsprozess stoppt und Aluminium verbrennt erst nach erneuter Entzündung des Partikels. Bei den Partikeln, die sich nicht wieder entzünden, handelt es sich um hohle, poröse Oxidhüllen, in deren Inneren sich Tröpfchen aus unverbranntem Aluminium befinden.

Die Abhängigkeit der Brenndauer von Partikeln von ihrem Anfangsdurchmesser wird durch die folgenden empirischen Formeln ausgedrückt:

Verbrennung von Aluminium-Magnesium-Legierungen in Gemischen aus Sauerstoff mit Argon, in Wasserdampf und in Kohlendioxid.

Die Art der Verbrennung von Partikeln aus Aluminium-Magnesium-Legierungen in Sauerstoff-Argon-Gemischen ist die gleiche wie in Luft. Mit abnehmendem Sauerstoffgehalt nimmt die Größe der Glühzone beim Magnesiumausbrand merklich ab. Die Abhängigkeit der Verbrennungszeit von Partikeln der 50 % Al + 50 % Mg-Legierung von der Partikelgröße und dem Sauerstoffgehalt in der Mischung in Volumenprozent wird durch die Formel ausgedrückt

Die Verbrennung von Legierungen im Wasserdampf unterscheidet sich deutlich (Abb. 2.8). Der im ersten Schritt gebildete Oxidfilm wird durch Wasserstoff zerstört und das Partikel nimmt das Aussehen einer Koralle an. Das in der Koralle verbleibende Aluminium entzündet sich erst 1-10 ms nach Ende der ersten Stufe. Eine solche Unterbrechung des Prozesses ist typisch für Legierungen jeglicher Zusammensetzung.

Reis. 2.8. Verbrennung von kugelförmigen Aluminium-Magnesium-Legierungspartikeln (50:50).(A) und falsch(B) bildet sich in Wasserdampf bei normalem Atmosphärendruck:

1 – Anfangspartikel; 2 – Partikel vor der Zündung; 3 – Magnesium-Burnout; 4 – Aluminiumausbrennung; 5 – Koralle, die sich nach dem Partikel gebildet hat

Beim Verbrennen von Aluminium-Magnesium-Legierungen in Kohlendioxid verbrennt nur Magnesium aus den Partikeln, woraufhin der Verbrennungsprozess stoppt.

Verbrennung von Aluminium-Magnesium-Legierungen in einer Hochtemperaturflamme

Um den Verbrennungsprozess von Metallpartikeln bei hohen Temperaturen zu untersuchen, wurde eine gepresste Tablette aus Mischungen von Ammoniumperchlorat und Hexamin mit berechneten Verbrennungstemperaturen von 2500, 2700 und 3100 K unter einem an der Spitze einer Nadel montierten Partikel verbrannt.

Die Verbrennung von Partikeln aus Aluminium-Magnesium-Legierungen erfolgt unter diesen Bedingungen in der Regel mit einer Explosion. Das Vorhandensein einer Explosion ist typisch für Partikel aller Zusammensetzungen. Durch die Explosion entsteht eine deutliche Lumineszenzzone, was ein Zeichen für das Vorherrschen der Dampfphasenverbrennung ist. Fotografien eines brennenden Partikels zu Beginn der Verbrennung (Abb. 2.9, A) zeigen, dass heterogene Reaktionen auf der gesamten Oberfläche der Oxidhülle ablaufen. Aufgrund der Hitze heterogener Reaktionen kommt es zu einer schnellen Verdampfung des Metalls (Abb. 2.9, B), was das Aufbrechen der Oxidhülle und das Verspritzen des unverdampften Tropfens begünstigt (Abb. 2.9, V).

Reis. 2.9. Verbrennung von 95 % Al-Legierungspartikeln mit 5 % Mg in oxidierender Flamme (Temperatur 2700 K):

A– Anfangsstadium der Verbrennung; B– stationäre Verbrennung; V- sich trennen

Laut B. G. Lrabey, S. E. Salibekov und Yu. V. Leninsky wird das Zerkleinern von Partikeln aus Aluminium-Magnesium-Legierungen durch einen sehr großen Unterschied in den Siedetemperaturen von Magnesium und Aluminium verursacht, wodurch das Magnesium beim Kochen kocht Partikel befindet sich in einer Hochtemperaturzone, ist explosiv und führt zur Zerkleinerung des restlichen Aluminiums. Bereits eine Temperatur von 2500 K reicht für eine explosionsartige Verbrennung aus, was ganz natürlich ist, da diese Temperatur über dem Siedepunkt beider Komponenten liegt.

• Arabey B. G., Salibekov S. E., Levinsky Yu. V. Einige Merkmale der Zündung und Verbrennung von Metallstaub // Pulvermetallurgie. 1964. Nr. 3. S. 109-118.

Um die Gesetze der ablaufenden Prozesse zu formulieren, können wir uns auf die Betrachtung von Kationen beschränken und Anionen ausschließen, da diese selbst nicht an der Reaktion teilnehmen. (Die Abscheidungsgeschwindigkeit wird jedoch von der Art der Anionen beeinflusst.) Wenn wir der Einfachheit halber davon ausgehen, dass sowohl die freigesetzten als auch die gelösten Metalle zweiwertig sind, können wir schreiben:

Ich 1 + Ich 2 2+ => Ich 1 2+ + Ich 2

Darüber hinaus gilt für das erste Experiment Me 1 = Fe, Me 2 = Cu. Der Prozess besteht also im Austausch von Ladungen (Elektronen) zwischen Atomen und Ionen beider Metalle. Wenn wir die Auflösung von Eisen oder die Ausfällung von Kupfer getrennt (als Zwischenreaktionen) betrachten, erhalten wir:

Fe => Fe 2+ + 2е -
Сu 2+ + 2е - => Сu

Betrachten Sie nun den Fall, dass ein Metall in Wasser oder in eine Salzlösung eingetaucht wird, mit einem Kation, dessen Austausch aufgrund seiner Position in der Spannungsreihe nicht möglich ist. Trotzdem neigt das Metall dazu, in Form eines Ions in Lösung zu gehen. In diesem Fall gibt das Metallatom zwei Elektronen ab (wenn das Metall zweiwertig ist), die Oberfläche des in die Lösung eingetauchten Metalls wird relativ zur Lösung negativ geladen und an der Grenzfläche bildet sich eine doppelte elektrische Schicht. Dieser Potentialunterschied verhindert eine weitere Auflösung des Metalls, so dass der Prozess bald zum Erliegen kommt. Wenn zwei verschiedene Metalle in eine Lösung getaucht werden, laden sich beide auf, das weniger aktive Metall ist jedoch etwas schwächer, da seine Atome weniger dazu neigen, Elektronen zu verlieren. Verbinden wir beide Metalle mit einem Leiter. Aufgrund der Potentialdifferenz fließt ein Elektronenfluss vom aktiveren Metall zum weniger aktiven Metall, das den positiven Pol des Elements bildet. Es kommt zu einem Prozess, bei dem das aktivere Metall in Lösung geht und Kationen aus der Lösung an das edlere Metall abgegeben werden.

Das Wesen einer galvanischen Zelle

Lassen Sie uns nun anhand einiger Experimente die oben dargelegte etwas abstrakte Argumentation veranschaulichen (die darüber hinaus eine grobe Vereinfachung darstellt).

Füllen Sie zunächst ein 250-ml-Becherglas bis zur Mitte mit einer 10-prozentigen Schwefelsäurelösung und tauchen Sie nicht zu kleine Zink- und Kupferstücke hinein. An beide Elektroden löten oder nieten wir Kupferdraht, dessen Enden die Lösung nicht berühren dürfen.

Solange die Enden des Drahtes nicht miteinander verbunden sind, beobachten wir die Auflösung von Zink, die mit der Freisetzung von Wasserstoff einhergeht. Zink ist, wie aus der Spannungsreihe hervorgeht, aktiver als Wasserstoff, sodass das Metall Wasserstoff aus dem ionischen Zustand verdrängen kann. Auf beiden Metallen bildet sich eine elektrische Doppelschicht. Der Potentialunterschied zwischen den Elektroden lässt sich am einfachsten mit einem Voltmeter ermitteln. Unmittelbar nach dem Anschließen des Geräts an den Stromkreis zeigt der Pfeil etwa 1 V an, dann fällt die Spannung jedoch schnell ab. Wenn Sie eine kleine Glühbirne, die 1 V verbraucht, an das Element anschließen, leuchtet sie – zunächst ziemlich stark, dann wird das Leuchten schwach.

Anhand der Polarität der Geräteanschlüsse können wir schließen, dass die Kupferelektrode der Pluspol ist. Dies kann ohne Gerät durch Betrachtung der Elektrochemie des Prozesses nachgewiesen werden. Bereiten wir eine gesättigte Kochsalzlösung in einem kleinen Becherglas oder Reagenzglas vor, fügen etwa 0,5 ml einer alkoholischen Lösung des Phenolphthalein-Indikators hinzu und tauchen beide mit Draht verschlossenen Elektroden in die Lösung. In der Nähe des Minuspols ist eine schwache rötliche Farbe zu beobachten, die durch die Bildung von Natriumhydroxid an der Kathode verursacht wird.

In anderen Experimenten kann man verschiedene Metallpaare in eine Zelle legen und die resultierende Spannung bestimmen. Beispielsweise ergeben Magnesium und Silber aufgrund des erheblichen Abstands zwischen ihnen und einer Reihe von Spannungen eine besonders große Potenzialdifferenz, während Zink und Eisen im Gegensatz dazu eine sehr kleine Potenzialdifferenz von weniger als einem Zehntel Volt ergeben. Durch die Verwendung von Aluminium erhalten wir aufgrund der Passivierung praktisch keinen Strom.

Alle diese Elemente oder, wie Elektrochemiker sagen, Schaltkreise haben den Nachteil, dass bei der Strommessung die Spannung an ihnen sehr schnell abfällt. Deshalb messen Elektrochemiker mit dieser Methode immer den wahren Wert der Spannung im spannungslosen Zustand Spannungskompensation, also Vergleich mit der Spannung einer anderen Stromquelle.

Betrachten wir die Vorgänge im Kupfer-Zink-Element etwas genauer. An der Kathode geht Zink nach folgender Gleichung in Lösung:

Zn => Zn 2+ + 2е -

An der Kupferanode werden Wasserstoffionen der Schwefelsäure entladen. Sie binden Elektronen, die von der Zinkkathode durch den Draht kommen, und es entstehen Wasserstoffblasen:

2Н + + 2е - => Н 2

Nach kurzer Zeit ist das Kupfer mit einer dünnen Schicht Wasserstoffbläschen bedeckt. In diesem Fall verwandelt sich die Kupferelektrode in eine Wasserstoffelektrode und die Potentialdifferenz nimmt ab. Dieser Vorgang wird aufgerufen Polarisation Elektrode. Die Polarisierung der Kupferelektrode kann beseitigt werden, indem nach dem Spannungsabfall etwas Kaliumdichromatlösung in die Zelle gegeben wird. Danach steigt die Spannung wieder an, da Kaliumdichromat Wasserstoff zu Wasser oxidiert. Kaliumbichromat fungiert in diesem Fall als Depolarisator

In der Praxis werden galvanische Schaltkreise verwendet, deren Elektroden nicht polarisiert sind, oder Schaltkreise, deren Polarisation durch Hinzufügen von Depolarisatoren beseitigt werden kann.

Betrachten Sie als Beispiel für ein nicht polarisierbares Element das Daniel-Element, das in der Vergangenheit häufig als Stromquelle verwendet wurde. Auch hier handelt es sich um ein Kupfer-Zink-Element, allerdings werden beide Metalle in unterschiedliche Lösungen eingetaucht. Die Zinkelektrode wird in eine poröse Tonzelle gelegt, die mit verdünnter (ca. 20 %) Schwefelsäure gefüllt ist. Die Tonzelle ist in einem großen Glas mit einer konzentrierten Kupfersulfatlösung aufgehängt und am Boden befindet sich eine Schicht aus Kupfersulfatkristallen. Die zweite Elektrode in diesem Gefäß ist ein Zylinder aus Kupferblech.

Dieses Element kann aus einem Glasgefäß, einer handelsüblichen Tonzelle (im Extremfall verwenden wir einen Blumentopf, der das Loch im Boden verschließt) und zwei Elektroden geeigneter Größe hergestellt werden.

Beim Betrieb der Zelle löst sich Zink zu Zinksulfat auf und an der Kupferelektrode wird metallisches Kupfer freigesetzt. Gleichzeitig ist die Kupferelektrode jedoch nicht polarisiert und das Element erzeugt eine Spannung von etwa 1 V. Theoretisch beträgt die Spannung an den Anschlüssen tatsächlich 1,10 V, aber bei der Stromabnahme messen wir aufgrund der Elektrik einen etwas niedrigeren Wert Widerstand der Zelle.

Wenn wir den Strom nicht aus dem Element entfernen, müssen wir die Zinkelektrode aus der Schwefelsäurelösung entfernen, da sie sich sonst unter Bildung von Wasserstoff auflöst.

In der Abbildung ist ein Diagramm einer einfachen Zelle dargestellt, die keine poröse Trennwand erfordert. Die Zinkelektrode befindet sich oben im Glasgefäß und die Kupferelektrode befindet sich unten. Die gesamte Zelle ist mit einer gesättigten Kochsalzlösung gefüllt. Legen Sie eine Handvoll Kupfersulfatkristalle auf den Boden des Glases. Die resultierende konzentrierte Kupfersulfatlösung vermischt sich sehr langsam mit der Kochsalzlösung. Daher wird beim Betrieb der Zelle Kupfer an der Kupferelektrode freigesetzt und Zink löst sich im oberen Teil der Zelle in Form von Sulfat oder Chlorid auf.

Heutzutage werden sie fast ausschließlich für Batterien verwendet. trockene Elemente, die bequemer zu verwenden sind. Ihr Vorfahre ist das Leclanche-Element. Die Elektroden bestehen aus einem Zinkzylinder und einem Kohlenstoffstab. Der Elektrolyt ist eine Paste, die hauptsächlich aus Ammoniumchlorid besteht. Zink löst sich in der Paste und Wasserstoff wird an die Kohle abgegeben. Um eine Polarisierung zu vermeiden, wird der Kohlenstoffstab in einen Leinenbeutel getaucht, der eine Mischung aus Kohlepulver und Pyrolusit enthält. Das Kohlenstoffpulver vergrößert die Elektrodenoberfläche und der Pyrolusit wirkt als Depolarisator und oxidiert den Wasserstoff langsam. Zwar ist die Depolarisierungsfähigkeit von Pyrolusit schwächer als die des zuvor erwähnten Kaliumbichromats. Wenn daher in trockenen Elementen Strom empfangen wird, sinkt die Spannung schnell, sie „ermüden“ aufgrund der Polarisation. Erst nach einiger Zeit erfolgt die Oxidation von Wasserstoff mit Pyrolusit. Somit „ruhen“ die Elemente, wenn eine Zeit lang kein Strom fließt. Lassen Sie uns dies an einer Taschenlampenbatterie überprüfen, an die wir eine Glühbirne anschließen. Wir schließen ein Voltmeter parallel zur Lampe, also direkt an die Klemmen, an. Zunächst liegt die Spannung bei etwa 4,5 V. (Am häufigsten bestehen solche Batterien aus drei in Reihe geschalteten Zellen mit einer theoretischen Spannung von jeweils 1,48 V.) Nach einiger Zeit sinkt die Spannung und das Leuchten der Glühbirne erlischt schwächen. Anhand der Messwerte des Voltmeters können wir abschätzen, wie lange die Batterie ruhen muss.

Einen besonderen Platz nehmen regenerierende Elemente, sogenannte Batterien, ein. Sie unterliegen reversiblen Reaktionen und können nach dem Entladen der Zelle durch Anschluss an eine externe Gleichstromquelle wieder aufgeladen werden.

Derzeit sind Blei-Säure-Batterien am weitesten verbreitet; Der darin enthaltene Elektrolyt ist verdünnte Schwefelsäure, in die zwei Bleiplatten eingetaucht sind. Die positive Elektrode ist mit Bleiperoxid PbO 2 (moderner Name ist Bleidioxid) beschichtet, die negative Elektrode ist metallisches Blei. Die Spannung an den Anschlüssen beträgt ca. 2,1 V. Beim Entladen entsteht auf beiden Platten Bleisulfat, das beim Laden wieder in metallisches Blei und Bleiperoxid umgewandelt wird.