ETH Basisjahr


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Cartes-fiches 133
Langue Deutsch
Catégorie Chimie
Niveau Université
Crée / Actualisé 09.07.2021 / 06.08.2021
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Standardpotential

  • nur möglich Potentialunterschiede einer Halbzelle zu messen
  • Referenzpotential ist Reduktionspotential von einem Proton zu Wasserstoff & ist = 0: 2H+ + 2e- = H2
  • Je positiver das Standardpotetial ist, desto eher läuft eine Reduktionsreaktion spontan ab.

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

\(\Delta E = E_r + E_o\)

Elektrochemische Zelle

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 --> \(\Delta E^0= E^0_r-E^0_o= E^0_k- E^0_o\)

Elektrolyse

  • 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

Pourbaix-pH-Diagramme

Wenn gerade Linie unter Sauerstofflinie: O2Typ

wenn gerade linie unter Wasserstofflinie: HTyp

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 COmit 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

  • beschleunigt Reaktion, wird bei Reaktion jedoch NICHT gebraucht
  • verursachen niedrige Aktivierungsenergie
  • mehr Kollisionen pro Zeit
  • Kreieren "Abkürzung"
  • homogener Katalysator: Katalysator in gleicher Phase wie Reaktand
  • heterogener Katalysator: andere Phase
  • Bsp. Stickoxide --> Abbau der Ozonschicht

 

Reaktionsfrequenz

Verhältnis Reaktionsgeschwindigkeit & stöchiometrischen Koeffizienten, negativ

1. Reaktionsordnung

Geschwindigkeit proportional zu Konzentration mit Proportionalitätskonstante/Geschwindigkeitskonstante K

\(v_A = -\frac {d[A]}{dt}=k[A], \int\limits_{[A]_0}^{[A]_t} \frac{d[A]}{[A]} = -k\int\limits_0^tdt, ln\frac {1}{[A]_t}- ln\frac {1}{[A]_0}=kt, [A]_t=[A]_0*exp(-kt)\)

2. Reaktionsordnung

Geschwindigkeit proportional zum Quadrat der Konzentration

\(v_A = -\frac {d[A]}{dt}=k[A]^2, \int\limits_{[A]_0}^{[A]_t} \frac{d[A]}{[A]^2} = -k\int\limits_0^tdt, \frac {1}{[A]_t}- \frac {1}{[A]_0}=kt, [A]_t=\frac{[A]_0}{1+kt[A]_0}\)

0. Reaktionsordnung

Geschwindigkeit ist unabhängig von Konzentration --> konstant

\(v_A = -\frac {d[A]}{dt}= k\)

\(\int\limits_{[A]_0}^{[A]_t} d[A] = -k\int\limits_0^tdt\)

\([A]_t - [A]_0= -kt\)

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

Zusammenhang Kinetik & Thermodynamik

kinetische Kollisionstheorie

besagt, dass Reaktionen nur dann stattfinden, wenn die Moleküle mit einer kinetischen Energie Emin (Aktivierungsenergie) aufeinander treffen.

Voraussetzungen:

  • genug grosse Energie
  • Richtige Orientierung

Bedeutung Aktivierungsenergie

Aktivierungsenergie ist eine Enthalpie, bezieht sich auf die Energetik des Brechens

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

Elektronenstruktur des C-Atoms

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

sp3-Hybridorbitale

Hybridisierung gebildet aus 1s- und 3p- Orbitalen Bindungen, die durch frontalüberlappende sp3-Orbitale gebildet heissen Sigma-Bindungen

sp2-Hybridorbitale

ermöglicht Bildung von Doppelbindungen

Hybridisierung gebildet aus 1s- und 2p-Orbitalen

\(\pi \) Bindungen

  • zwei Kohlenstoffatome überlappen sp2-Orbital frontal --> Sigma-Bindung
  • Seitwärtsüberlappung von nicht hybrisierten p-Orbitalen bilden pi-Bindung
  • Schwach --> an ihnen finden oft Reaktionen statt.

Einteilung Kohlenwasserstoffe