Stromausbeute (Elektrochemie)

Unter der Stromausbeute versteht man in der Elektrochemie und damit auch bei der Elektrolyse, einschließlich der Galvanotechnik, den Anteil der elektrischen Ladung, der zum gewünschten Prozess führt.^[1][2]

Grundlegendes

Die Stromausbeute η ist definiert als^[3][4]

${\displaystyle \eta \ ={\frac {Q_{\mathrm {nutz} }}{Q_{\mathrm {gesamt} }}}}$

mit der für den Nutzprozess benötigen theoretischen Ladung Q_nutz bei der Gesamtladung Q_gesamt. Dementsprechend ist die Stromausbeute eine dimensionslose Zahl zwischen 0 und 1.^[2]

Bei der galvanischen Beschichtung mit einem Metall beschreibt die Stromausbeute denjenigen Anteil der Ladung, der zur Abscheidung des gewünschten Metalls genutzt wird. Unerwünschte Nebenreaktionen, oft z. B. die Wasserstoffentwicklung, verbrauchen einen Teil des elektrischen Stromes und verringern so die Stromausbeute.^[2] Bei Akkumulatoren wird die Stromausbeute zumeist Coulombeffizienz genannt.

Sowohl die tatsächlich erhaltene, experimentell bestimmte oder bestimmbare Masse des gewünschten Produkts m_exp, z. B. die Masse der in der Galvanik abgeschiedenen Metallschicht, als auch die theoretisch aufgrund der gesamten Ladung erwartete Masse m_th sind gemäß den Faradayschen Gesetzen den jeweiligen Ladungen proportional:

${\displaystyle m_{\mathrm {nutz} }={\ddot {A}}_{e}Q_{\mathrm {nutz} }}$

und

${\displaystyle m_{\mathrm {th} }={\ddot {A}}_{e}Q_{\mathrm {ges} }}$

mit dem elektrochemischen Äquivalent Ä_e. Daher gilt für die Stromausbeute:

${\displaystyle \eta \ ={\frac {m_{\mathrm {exp} }}{m_{\mathrm {th} }}}={\frac {m_{\mathrm {exp} }}{{\ddot {A}}_{e}Q_{\mathrm {ges} }}}={\frac {zFm_{\mathrm {exp} }}{MQ_{\mathrm {ges} }}}}$.

Stromausbeute in galvanischen Beschichtungsprozessen

Die Abscheidung von Silber (E° = +0,8 V für Ag⁺/Ag) und von Kupfer (E° = +0,35 V für Cu²⁺/Cu) erfolgt bei kleinen Stromdichten praktisch ohne Wasserstoffentwicklung (E° = 0 V) und kann daher Stromausbeuten von eins (η = 1 im Rahmen der Messgenauigkeit) oder fast eins (η ≈ 1) erreichen. Dies wurde früher in Silbercoulometern und in Kupfercoulometern zur Ladungsmessung ausgenutzt. Die für das Verchromen wichtige elektrochemische Abscheidung von Chrom (E° = −0,76 V für Cr³⁺/Cr) hingegen muss bei Potentialen erfolgen, bei denen eine Wasserstoffentwicklung unvermeidlich ist. Daher ist die Stromausbeute beim Verchromen klein. Für eine wie üblich auf die Elektrodenfläche, d. h. die Oberfläche des Beschichtungsgutes, bezogene Stromdichte von 50 A/dm² liegt sie bei etwa 18 %.

Stromausbeuten hängen stark von den verwendeten Stromdichten ab. Hohe Stromdichten begünstigen durch die damit verbundenen hohen Überspannungen die Wasserstoffentwicklung, da das Potential der Arbeitselektrode auch bei der Kupfer- oder Silberabscheidung unter 0 V sinken kann. Außerdem hängen Stromausbeuten von der Elektrolytzusammensetzung und der Temperatur ab.

Einzelnachweise

1. Klaus J. Vetter: Elektrochemische Kinetik. 1. Auflage. Springer, Berlin, Heidelberg 1961, ISBN 978-3-642-86547-3, 5. Mischpotentiale und elektrolytische Korrosion, § 177 Stromausbeute, S. 590–591 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
2. Klaus-Michael Mangold: Glossar: Grundbegriffe der Elektrochemie. DECHEMA, Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., 2008, abgerufen am 13. April 2020.
3. Grundlagen der Elektrochemie. In: Formel-Sammlung.de > Chemie > Elektrochemie. Adeos Media GmbH, abgerufen am 15. April 2020.
4. Stromausbeute. In: Lexikon der Chemie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 1998, abgerufen am 13. April 2020.