Chemie für Bauingenieure
ETH Basisjahr
ETH Basisjahr
Kartei Details
Karten | 133 |
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Sprache | Deutsch |
Kategorie | Chemie |
Stufe | Universität |
Erstellt / Aktualisiert | 09.07.2021 / 06.08.2021 |
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Verknüpfung Redox mit Thermodynamik
\(We = q * \Delta E = -n_e * F * \Delta E\)
Kombination von elektronchemischen Potentialen
Potentiale kann man nur addieren im Fall von ausgeglichenen Redoxreaktionen
\(\Delta E = E_r + E_o\)
Galvanische Zelle
- elektrische Stromquelle --> es entsteht Potential und Strom fliesst
- in beide Halbreaktionen aufgeteilt --> Daniell-Element
- Verbindungen: elektrisch --> Voltmeter --> Elektronleiter, elektronlytisch --> Salzbrücke --> Ionenleiter
- Elektroden: Anode (Minuspol, Oxidation), Katode (Pluspol, Reduktion)
- Zellspannung --> \(\Delta E^0= E^0_r-E^0_o= E^0_k- E^0_o\)
- Redoxreaktionen mit \(\Delta G > 0\) sind nicht spontan, können aber mit Strom dennoch ablaufen --> Elektrische Chemie in chemische umgewandelt
- Elektroden im selben Raum
- Besitzt nur ein Elektrolyt
- Potential, welches mind. so gross ist wie das der Zellreaktion, muss angelegt werden
- Anwendung: Produktion Aluminium & Magnesium, um Metalle aus ihren Salzen zu gewinnen, Kupfer reinigen, Galvanotechnik: dünnne Schicht Metall auf Objekt --> Korrosionsschutz
Korrosion
- Metalle werden durch andere Stoffe oxidiert
- Bildung von Verbindungen auf der Oberfläche eines Materials, wenn es Wasser, Luft oder Elektrolyt wie Salzwasser ausgesetzt ist
- Es entstehen Oxide oder Hydroxide
- Eisen rostet, alle anderen Metalle korrodieren
--> Korrosion ist abhängig von der Umgebung und NICHT vom Material
gleichmässige Korrosion
- parallel zur Oberfläche
- gleichmässig abgetragen
- gut kontrollierbar
lokale Korrosion
- ungleichmässig --> an gewissen Stellen deutlich höher
- Spalt-, Lochfrass, Interkristalline Korrosion
- schwerwiegende Schäden
Purbaix-Diagramme
zeigt Stabilität der Phasen
drei Phasen:
- Korrosion: stable Phasen ist Lösung aus Fe2+ oder Fe3+ Ionen
- Schutz /Immunität: stabile Phase ist Fe (Auflösung aus thermodynamischen Gründen nicht möglich, bei niedrigen Potentialen, unterhalb Kathode-Reaktion
- Passivierung: Stabile Phase ist ein Oxid, welches das darunterliegende Metall von Korrosion schützen kann
Korrosionsgeschwindigkeit
- tieferer pH: max Geschwindigkeit --> H2-Typ schnellere Reaktion, da O2 limitiert
- mittlerer pH: Reduktion von O2
- hoher pH: min. Geschw --> Schutz vor Korrosion --> Passivierung
--> Wenn H2 möglich dann immer schneller
--> Reduktionspotentiale immer unter Protonen-Reduktionslinie
Korrosion von Stahlbeton
- Stahlbeton ist Verbundwerkstoff (Beton ist alkalisch)
- Stahl in Beton erhöht Zugfestigkeit und Duktilität
- korrosisch wenn Oxidschicht (Passivierung) des Stahls beschädigt
Karbonatisierung
- Abnahme pH-Wert --> Wenn unter 10, Passivierungsschicht instabil
- Schicht homogen, korrosioin homogen
- optisch erkennbar, gleichmässig
- Reaktion von CO2 mit Portlandit (Ca(OH)2) reduziert
chlorinduzierte Lochkorrosion
- Konzentration der Chloride in Porenlösung des Betons zu hoch (--> diffundieren der Schicht durch Chlorid-Ionen)--> Lochfrass (Auflösung der Schutzschicht)
- Ansäuerung des Lochelektrolyten führt zu Löslichkeit der Korrosionsprodukte --> hohe Geschwindigkeit der Korrosion
- Kein Rost oder Betonabplatzungen treten auf --> keine visuelle Korrosion
Galvanisierung
- Beschichten von Stahl oder Eisen mit Zinkschicht
- Auch Schutz wenn Zink bereits geschädigt, da Zink weiter unten auf Potentialstabelle ist --> oxidiert
- Funktioniert auch wenn Eisen exponiert
kathodischer Schutz
- dasselbe Prinzip wie Galvan.
- Elektronen werden zur Verfügung gestellt über Opferanode, Gleichstromquelle
chemische Kinetik
befasst sich mit den Einzelschritten und Geschwindigkeit einer Reaktioin
Reaktionsgeschwindigkeit
- Masse wie schnell Edukte in Produkte
- wie schnell nehmen Reaktanden ab oder wie schnell nehmen Produkte zu
Einflüsse:
- Konzentration (höhere Konz. --> höhere Geschw.)
- Druck (höherer Druck --> höhere Geschw.: NUR Gasphase)
- Temperatur (höhere Temp. --> mehr Kollisionen --> höhere G.)
- Oberfläche (vergrösserte Oberfläche --> höhere Geschw.)
Katalysatoren
Reaktionsfrequenz
Verhältnis Reaktionsgeschwindigkeit & stöchiometrischen Koeffizienten, negativ
Gesamtordnung
Geschwinidigkeiten für Hin- und Rückreaktion können unterschiedlich sein
Gesamtordnung = Addition der Teilreaktionsordnungen
Halbwertszeiten
- Zeit nachdem Konzentration eines Stoffes auf Hälfte gesunken ist
1. Reaktionsordnung:
- t1/2= ln(2)/k
- abhängig von k
2. Reaktionsordnung:
- t1/2 = 1/k[A]0
- abhängig von k & [A]0
Reaktionsmechanismus
- Beschreibt Schritte auf molekularer Ebene während Reaktion
- Summe der Elementarreaktionen und ihrer Reihenfolge (Brechen, Bilden von Bindungen)
- Anzahl Moleküle welche bei Elementarreaktion teilnehmen = Molekularität (1 Molekül = unimolekular, 2 Moleküle = bimolekular)
- Jede Elementarreaktion hat eigene Geschwindigkeitskonstante (k) & eigene Aktivierungsenergie
- Totale Reaktionsgeschwindigkeit darf nicht schneller als langsamster Elementarschritt (geschwindigkeitsbestimmender Schritt) sein
Katalysatoren im Bauwesen
- Beschleuniger: z.B. um Erhärten von Zement zu beschleunigen
- Verzögerer: (negative Kataly.) z.B. Erhärten verlangsamen bei hohen Temp./Transport
- Korrosionsinhibitoren: (negative Kataly.) z.B. um Korrosion von Stahlbeton zu verzögern
- Haber-Bosch-Prozess
Organische Chemie
Verbindungen aus Kohlenstoff, welche immer vier kovalente Bindungen eingehen.
Alkane
- nur kovalente Einfachbindungen zwischen H&C
--> CnH2n+2
- unpolare Moleküle
- je länger, desto grösser Siedepunkt/Viskosität/Schmelzpkt weil Londonkräfte zunehmen
- Verzweigte Moleküle --> schwächere Zwischenmolekulare Kräfte
- in Wasser unlöslich
- reaktionsträge, gehen aber oxidationsreaktionen ein
Alkene
- kovalente Doppelbindungen zwischen H&C
--> Methen geht nicht --> CnH2n
- Eigenschaft der C C Doppelbindungen
- Doppelbindungen schwächer als zwei C-C-Einfachbindungen
Hybridisierung
Atomorbitale eines Atoms mischen sich bei Molekülen zu neuen Orbitalen --> Hybridorbitale
Moleküle beschreiben die Aufenthaltsbereiche der Elektronen im Molekül bei einem Zustand minimaler Energie