Bei der Elektrolyse wird elektrischer Strom verwendet, um eine chemische Reaktion zu erzwingen, die von selbst nicht stattfinden würde – am häufigsten, um ein Metall aus einer Lösung abzuscheiden (Galvanisierung) oder eine Verbindung in ihre Elemente zu zerlegen. Dieser Rechner wendet die Faradayschen Gesetze der Elektrolyse an, um die abgeschiedene Masse, die Zeit oder den Strom, die zum Abscheiden einer Zielmasse benötigt werden, oder die Mole der übertragenen Elektronen zu ermitteln, und deckt damit die drei Fragen ab, die Studenten, Bastler und Verfahrenstechniker am häufigsten beantworten müssen.
So funktioniert der Elektrolyserechner
Bei der Elektrolyse wird ein Gleichstrom durch einen Elektrolyten geleitet, der die Oxidation an der Anode und die Reduktion an der Kathode vorantreibt. Die beiden Gesetze von Michael Faraday beschreiben den quantitativen Zusammenhang: Die Masse der abgelagerten oder freigesetzten Substanz ist direkt proportional zur gesamten übertragenen elektrischen Ladung (erstes Gesetz), und bei einer festen Ladung ist die Masse proportional zur Molmasse der Substanz dividiert durch die Anzahl der Elektronen, die jedes Ion gewinnen oder verlieren muss (zweites Gesetz).
Der Rechner setzt dies in drei Schritten um. Zunächst wird aus Strom und Zeit die Gesamtladung Q = I·t ermittelt. Zweitens wandelt es diese Ladung in Mol Elektronen um, indem es durch die Faraday-Konstante F = 96.485 C/mol dividiert – die Ladung, die von einem Mol Elektronen getragen wird. Drittens werden Elektronenmole mithilfe der Stöchiometrie der Halbreaktion in Masse umgewandelt: Masse = Q·M/(n·F), wobei M die Molmasse der abgeschiedenen Substanz und n die Anzahl der pro Ion übertragenen Elektronen ist.
Eingaben und was sie bedeuten
Strom (I), in Ampere, ist die Rate des Ladungsflusses durch die Zelle – eingestellt durch das Netzteil. Zeit (t) gibt in Sekunden an, wie lange der Strom läuft. Molmasse (M) in g/mol ist die Molmasse des Elements oder der Verbindung, die abgeschieden wird (z. B. 63,55 g/mol für Kupfer, 107,87 g/mol für Silber). Die übertragenen Elektronen (n) stammen aus der ausgeglichenen Halbreaktion – sie beträgt 1 für Ag⁺ + e⁻ → Ag, 2 für Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu und 3 für Al³⁺ + 3e⁻ → Al. Ein Fehler bei n ist die häufigste Fehlerquelle: Ein höheres n bedeutet, dass mehr Ladung erforderlich ist, um die gleiche Masse abzuscheiden, da jedes Ion mehr Elektronen zur Reduktion benötigt.
Grenzen und Randfälle
Dieser Rechner geht von einem aktuellen (Farada-)Wirkungsgrad von 100 % aus – jedes fließende Elektron wird für die beabsichtigte Reaktion verwendet. In der Praxis laufen echte Galvanikbäder oft mit einem Wirkungsgrad von 90–98 %, da ein Teil des Stroms durch konkurrierende Reaktionen verloren geht, wie z. B. die Entwicklung von Wasserstoffgas an der Kathode; Multiplizieren Sie die berechnete Masse mit dem Effizienzfaktor, um eine reale Schätzung zu erhalten. Die Formel geht außerdem von einer einzelnen, genau definierten Halbreaktion mit einem festen n aus. Wenn die abgeschiedene Spezies in mehr als einer Oxidationsstufe vorliegen kann (z. B. Kupfer, das sich unter bestimmten Bedingungen als Cu⁺ anstelle von Cu²⁺ abscheidet), bestätigen Sie, welche Halbreaktion zutrifft, bevor Sie dem Ergebnis vertrauen. Schließlich muss n eine ganzzahlige Anzahl von Elektronen pro Formeleinheit ungleich Null sein – der Rechner akzeptiert n = 0 nicht.