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Stromausbeute (Elektrochemie)
Unter der Stromausbeute versteht man in der Elektrochemie und damit auch bei der Elektrolyse, einschließlich der Galvanotechnik, den Anteil der elektrischen …
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Begriff und Bedeutung
Die Stromausbeute beschreibt in der Elektrochemie, bei der Elektrolyse und in der Galvanotechnik den Anteil der gesamten elektrischen Ladung, der tatsächlich zum gewünschten Prozess führt. Bei einer galvanischen Metallbeschichtung ist dies der Ladungsanteil, der das gewünschte Metall abscheidet. Nebenreaktionen wie die Wasserstoffentwicklung verbrauchen Strom und senken deshalb die Stromausbeute. Bei Akkumulatoren wird sie meist Coulombeffizienz genannt.
Definition und Wertebereich
Die Stromausbeute η ist definiert als
η = Q_nutz / Q_gesamt ≤ 1.
Dabei ist Q_nutz die für den Nutzprozess benötigte theoretische Ladung und Q_gesamt die insgesamt geflossene Ladung; es gilt Q_nutz ≤ Q_gesamt. Die Stromausbeute ist dimensionslos und liegt zwischen 0 und 1 beziehungsweise zwischen 0 % und 100 %.
Bestimmung über die Produktmasse
Nach den Faradayschen Gesetzen sind die experimentell erhaltene Masse m_exp des gewünschten Produkts und die theoretisch aufgrund der Gesamtladung erwartete Masse m_th proportional zu den jeweiligen Ladungen:
m_exp = Ä_e · Q_nutz ≤ m_th
m_th = Ä_e · Q_ges.
Ä_e ist das elektrochemische Äquivalent. Daraus folgt:
η = m_exp / m_th = m_exp / (Ä_e · Q_ges) = (z · F · m_exp) / (M · Q_ges).
Dabei bezeichnet z die Äquivalentzahl, F die Faraday-Konstante und M die Molmasse.
Einflussgrößen bei Metallbeschichtungen
Die Stromausbeute hängt stark von der Stromdichte ab. Hohe Stromdichten führen zu hohen Überspannungen und begünstigen damit die Wasserstoffentwicklung. Das Potential der Arbeitselektrode kann sogar bei der Abscheidung von Kupfer oder Silber unter 0 V sinken. Dadurch wird ein größerer Teil des Stroms für die Nebenreaktion verbraucht und die Stromausbeute nimmt ab.
Weitere Einflussgrößen sind die Zusammensetzung des Elektrolyten und die Temperatur.
Beispiele: Chrom, Silber und Kupfer
Bei der elektrochemischen Abscheidung von Chrom gilt für Cr³⁺/Cr das Normalpotential E° = −0,76 V und z = 3. Die Abscheidung muss bei Potentialen stattfinden, bei denen Wasserstoffentwicklung unvermeidlich ist. Deshalb ist die Stromausbeute beim Verchromen gering: Bei einer üblichen, auf die Elektrodenfläche beziehungsweise die Oberfläche des Beschichtungsgutes bezogenen Stromdichte von 50 A/dm² beträgt sie etwa 18 %.
Silber mit E° = +0,8 V für Ag⁺/Ag und Kupfer mit E° = +0,35 V für Cu²⁺/Cu können bei kleinen Stromdichten praktisch ohne Wasserstoffentwicklung abgeschieden werden; für die Wasserstoffentwicklung gilt E° = 0 V. Daher erreichen diese Prozesse eine Stromausbeute von eins im Rahmen der Messgenauigkeit (η = 1) oder nahezu eins (η ≈ 1). Diese Eigenschaft wurde früher in Silber- und Kupfercoulometern zur Messung elektrischer Ladung genutzt.
