Galvanisieren am Beispiel des Verkupferns eines Schlüssels
Ein Schlüssel (oder eine Münze) aus Eisen soll verkupfert werden. Zu diesem Zweck taucht der Schlüssel in eine Kupfersalzlösung (CuSO4) ein. Der Trick besteht nun darin, die positiv geladenen Cu2+-Ionen zu zwingen an die Schlüsseloberfläche zu wandern und dort Elektronen aufzunehmen, um Kupferatome und damit einen Kupferbelag zu bilden. Dies kann realisiert werden, indem man den Schlüssel als Minuspol schaltet, d. h. von einer externen Stromquelle (Netzgerät) Elektronen auf den Schlüssel fliessen lässt:
Verkupfern eines Schlüssels (© CHEMIE INTERAKTIV): Das Video basiert auf einer Animation, welche auf der Website von CHEMIE INTERAKTIV zu finden war. Die auf der veralteten Adobe-Flash-Technik basierende Animation wurde per Screenrecording durch ein Video ersetzt. In der Zwischenzeit gibt es die Animation auch als HTML5-Animation auf CHEMIE INTERAKTIV.
Erklärung
Durch das Schalten des Schlüssels als Minuspol (Anhäufung negativer Ladung) wird der Schlüssel negativ geladen, wodurch die in der CuSO4-Lösung sich befindenden, positiv geladenen Cu2+-Ionen – aufgrund ihrer gegensätzlichen Ladung – zum Schlüssel wandern und dort die Elektronen aus der externen Stromquelle aufnehmen (vgl. Animation oben). Durch diese Reduktion bilden sich am Schlüssel Kupferatome, welche die gewünschte Kupferschicht bilden:
Minuspol (Schlüssel):
Cu2+ (aq) + 2 e– → Cu (s) (Red.)
Damit der Stromkreis geschlossen wird, werden am anderen Pol Kupferatome des Kupferstabs zu Kupfer(II)-Ionen oxidiert, wodurch Elektronen vom Kupferstab zurück zum Netzgerät fliessen:
Pluspol (Kupferstab):
Cu (s) → Cu2+ (aq) + 2 e– (Ox.)
Da gemäss Reaktion am Pluspol elementares Kupfer in Form von Kupfer(II)-Ionen in Lösung geht, erscheint der Kupferstab nach der Reaktion "frisch" kupferig glänzend. Der Stromkreis sieht also wie folgt aus: Elektronen fliessen vom Netzgerät über ein Leiterkabel zum Schlüssel, vom Pluspol (Kupferstab) bewegen sich einerseits Cu2+-Ionen durch die Lösung Richtung Minuspol (Schlüssel), andererseits fliessen Elektronen über ein Leiterkabel vom Pluspol zurück zum Netzgerät. Damit ist der Stromkreis geschlossen.
Fragen
- Wie lange kann man mit einer Kupfersulfatlösung den Schlüssel verkupfern?
- Könnte man anstelle von Kupfermetall auch ein anderes Metall (z. B. Eisen) als Elektrodenmaterial am Pluspol verwenden?
- Weshalb ist es sinnvoll für das Verkupfern eine Kupferelektrode als Pluspol zu verwenden?
- Was passiert, wenn man die Münze als Pluspol statt als Minuspol schaltet?
- Das Verkupfern mit einer Kupfersulfatlösung gelingt solange, bis alle Cu2+-Ionen aus der Lösung verbraucht worden sind.
- Man könnte auch ein anderes Metall wie Eisen als Pluspol verwenden, da im elektrischen Feld auch die Eisenatome Elektronen ans Netzgerät abgeben würden. Allerdings entstehen dann Fe2+-Ionen, die Richtung Minuspol wandern würden und nach ihrer Reduktion zu Eisenatomen dort das Verkupfern stören würden (Einbau von Fe-Atomen im entstehenden Cu-Gitter).
- Damit während des ganzen Verkupferungsprozesses ausschliesslich Cu2+-Ionen in der Lösung vorkommen (also keine anderen Kationen entstehen), ist es notwendig, für das Verkupfern eine Kupferelektrode als Pluspol zu verwenden. Dadurch werden gleich die am Minuspol verbrauchten Cu2+-Ionen durch Neubildung am Pluspol ersetzt (Oxidation der Kupferatome der Kupferelektrode zu Kupferionen). Das Verkupfern ist damit solange möglich, wie der Kupferstab noch nicht vollständig aufgelöst wurde (= Ergänzung zur Frage 1).
Beim Verwechseln der Pole (Schlüssel am Pluspol, Kupferstab am Minuspol) wandern die positiv geladenen Kupfer(II)-Ionen der Lösung zum nun negativ geladenen Cu-Stab, wodurch der Stab verkupfert wird:
Minuspol (Cu-Stab, Red.):
Cu2+ (aq) + 2 e– → Cu (s)
Pluspol (Schlüssel, Ox.):
Fe (s) → Fe2+ (aq) + 2 e–
Das unedelste Metall des Schlüssels (z. B. Eisen) löst sich auf. Die Verwechslung der Pole bewirkt als das Gegenteil des Erwünschten.