Metallabscheidung

Stellt man massives Metall oder eine Metallschicht aus einer Metallverbindung her, so wird dies Metallabscheidung genannt. Zumeist wird dabei ein Metallsalz zum Metall reduziert. Dies kann durch eine chemische Reaktion mit einem Reduktionsmittel oder durch elektrochemische Reduktion bei der Elektrolyse erfolgen. Ein Sonderfall ist die thermische Zersetzung einer Verbindung, zum Beispiel die Abscheidung von Arsen bei der Marshschen Probe.

Ähnliche Vorgänge kommen bisweilen auch im natürlichen Umfeld vor, etwa bei Kupfer-Lagerstätten (Red-Bed) in Katanga.

Elektrolytische Metallabscheidung

Die elektrolytische Metallabscheidung ist von großer technischer Bedeutung, einmal zur Gewinnung vieler Metalle, etwa von Aluminium. Dies erfolgt zumeist durch die Schmelzflusselektrolyse. Ferner dient sie in der Galvanik zur Herstellung metallischer Schichten, oft zum Korrosionsschutz.

Grundlagen

Bei der Elektrolyse eines Elektrolyten, der verschiedene Metallionen enthält, werden zunächst die Metalle abgeschieden, die an einer höheren Stelle in der elektrochemischen Spannungsreihe – siehe auch Redoxreihe – stehen. Dabei müssen auch die Konzentrationsabhängigkeit des Abscheidepotentials von den Konzentrationen gemäß der Nernst-Gleichung und eventuelle Überspannungen beachtet werden.

Technisches

Technische Elektrolysen werden oft mit hohen Stromstärken ausgeführt, weshalb Hochstromtransformatoren eingesetzt werden. Außerdem muss die Wechselspannung für die Elektrolyse in Gleichspannung umgewandelt werden.

Einfluss des pH-Wertes

Als Konkurrenzreaktion zur Metallabscheidung aus wässriger Lösung, etwa bei der Galvanik, kann auch die Bildung von Wasserstoff erfolgen. Dadurch wird der Strom- und Elektrolytverbrauch erhöht. Außerdem entsteht der elementare Wasserstoff meist in Form von Gasblasen, die die Metallabscheidung lokal blockieren können.

Die Wasserstoffentwicklung erfolgt durch die Reduktion von H⁺, welches in Säuren als H₃O⁺ gelöst ist:

${\ce {2H+ + 2e^- -> H2}}$

Die Konzentration der H₃O⁺-Ionen wird auch mit Hilfe des pH-Wertes angegeben. Wird in einer sauren Lösung gearbeitet, werden in erster Näherung keine Metalle abgeschieden, die unedler sind als Wasserstoff. Dann müssen aber zum einen Überspannungsbeträge (ue) und zum anderen der pH-Wert beachtet werden. Durch Einsetzen in die Nernst-Gleichung kommt man zu der Forderung, dass ein Metall X nur abgeschieden werden kann, wenn gilt:

$E_{\ce {{X^{n+}} \over X}}^{0}+{0{,}059\,\mathrm {V} \over n}\cdot \lg \;c_{X^{n+}}\geq -0{,}059\,\mathrm {V} \cdot \mathrm {pH} +ue_{\ce {H_{2}}}$

Möchte man unedle Metalle abscheiden, muss daher manchmal im alkalischen Bereich gearbeitet werden, um diese Forderung zu erfüllen.

Chemische Metallabscheidung

Ein wichtiges Beispiel ist die Herstellung eines Silberspiegels durch Reduktion von Silbersalzen.

Weblink

• Untersuchungen zur elektrochemischen Metallabscheidung, bei Institut für Elektrochemie, Uni Ulm