Elektrochemie und Kernphysik: Grundlagen und Prozesse

Grundlagen der Elektrochemie und Batterien

In der voltaischen Säule kommt es zu einer spontanen Redoxreaktion, die chemische Energie produziert. Im Gegensatz dazu liegt in einer elektrolytischen Zelle eine Redoxreaktion vor, bei der es notwendig ist, Energie zuzuführen.

Arten von kommerziellen Batterien

• Primärbatterien: Die Reaktionspartner werden verbraucht. Sobald die Reaktion beendet ist, ist die Batterie erschöpft.
• Sekundärbatterien: Diese sind wiederaufladbar, da die verbrauchten Stoffe durch Energiezufuhr in den ursprünglichen Zustand zurückgeführt werden können.
• Brennstoffzellen: Hier erfolgt eine kontinuierliche Verbrennung durch Redoxreaktionen. Die am häufigsten verwendete Kombination ist Wasserstoff und Sauerstoff (H₂/O₂).

Korrosion von Eisen

Eine Eisenplatte zeigt zu Beginn der Korrosion Bereiche, in denen das Metall angegriffen wird, und andere, die unversehrt bleiben. Die Korrosion ist schneller, wenn Kontakt mit einem starken Elektrolyten wie Meerwasser besteht oder wenn die Umgebung intensiv feucht ist.

Elektrochemische Heterogenitäten

Korrosion wird durch die Anwesenheit von Heterogenitäten eingeleitet. Ein homogenes Metall in einem homogenen Medium würde nur minimale Korrosion aufweisen. Diese Heterogenitäten können physikalisch (disperse Phasen im Metall) oder chemisch (unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen in verschiedenen Bereichen des Metalls) sein.

Schutzbeschichtungen gegen Korrosion

Metalle können mit metallischen oder nicht-metallischen Schichten überzogen werden. Man muss beachten, ob das Schutzmetall ein niedrigeres Oxidationspotential als das zu schützende Metall hat. Wenn ein Kratzer entsteht und das Metall freigelegt wird, kann es oxidieren.

Unterschiede zwischen Kernreaktionen und Chemie

1. In gewöhnlichen Reaktionen werden Atome durch das Brechen und Bilden von Bindungen neu angeordnet. In einer Kernreaktion wird ein Atom in ein anderes umgewandelt.
2. Bei gewöhnlichen Reaktionen sind nur Elektronen beteiligt, während bei Kernreaktionen Protonen und Neutronen im Kern interagieren.
3. Der Energieaustausch bei gewöhnlichen Reaktionen ist klein, während er bei Kernreaktionen enorm ist.
4. Die Geschwindigkeit gewöhnlicher Reaktionen kann durch Druck und Temperatur verändert werden, während Kernreaktionen davon nicht betroffen sind.

Kernspaltung

Kernspaltung tritt auf, wenn ein schwerer Kern (Masse > 200) mit Neutronen beschossen wird. Er bricht in kleinere Kerne und setzt dabei Neutronen frei. Da die entstehenden Kerne stabiler sind als der ursprüngliche Kern, wird viel Energie freigesetzt. Die technisch interessantesten Elemente hierfür sind Uran und Plutonium.

Kernfusion

Kernfusion tritt auf, wenn viele kleine Kerne zu einem größeren Kern verschmelzen. Diese Reaktionen erfordern sehr hohe Temperaturen und werden daher thermonukleare Reaktionen genannt. Sie finden beispielsweise in der Sonne statt.