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Galvanisieren

Hast Du Dich schon mal gefragt, warum Rost entsteht? Oder woran es liegt, dass manche Fahrräder voll verrostet, während andere komplett unbeschadet sind, obwohl sie alle im Regen standen? Die Antwort liegt in der Elektrochemie, einem Teilgebiet der physikalischen Chemie. Die häufig genutzte Galvanotechnik bietet nicht nur diesen Schutz für Fahrräder, sondern verleiht auch zum Beispiel Schmuckstücken einen ganz besonderen Glanz. Wenn Du also die Antwort auf jeglichen Rost kennen willst, oder wissen willst, weshalb die Oberfläche einer Halskette so sehr funkelt, bist Du hier genau richtig.

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Hast Du Dich schon mal gefragt, warum Rost entsteht? Oder woran es liegt, dass manche Fahrräder voll verrostet, während andere komplett unbeschadet sind, obwohl sie alle im Regen standen? Die Antwort liegt in der Elektrochemie, einem Teilgebiet der physikalischen Chemie. Die häufig genutzte Galvanotechnik bietet nicht nur diesen Schutz für Fahrräder, sondern verleiht auch zum Beispiel Schmuckstücken einen ganz besonderen Glanz. Wenn Du also die Antwort auf jeglichen Rost kennen willst, oder wissen willst, weshalb die Oberfläche einer Halskette so sehr funkelt, bist Du hier genau richtig.

Galvanisieren Definition

Beim Galvanisieren geschieht eine Reaktion an der Oberfläche eines Metalls. Das Ziel einer Galvanisierung ist, dass ein Metallgegenstand eine Schicht aus einem anderen Material bekommt. Das Beschichtungsmaterial ist dabei auch ein Metall, welches sowohl in Form gelöster Ionen als auch als Feststoff vorhanden sein muss, damit der Gegenstand beschichtet werden kann.

Du kannst Dir den Prozess der Galvanotechnik grob so vorstellen: Der Metallgegenstand wird in die ionenhaltige Lösung mit dem Beschichtungsmetall getaucht und die Ionen lagern sich auf der Oberfläche ab. Ionen sind Atome mit einer ungleichen Anzahl an Protonen und Elektronen und sind dadurch elektrisch geladen. Die genaue Definition des Galvanisierens lautet dabei wie folgt:

Das Galvanisieren ist eine Elektrolysereaktion, bei der ein Metallobjekt mit einem anderen Metall überschichtet wird.

Galvanisieren Erklärung

Das Galvanisieren wird am häufigsten verwendet, um Gegenstände aus Eisen oder Stahl zu beschichten. Die häufigsten dafür verwendeten Beschichtungselemente sind Chrom, Nickel, Zinn, Kupfer, Cadmium und Zink. Meistens werden dafür also Edelmetalle verwendet, da diese für das Galvanisieren am Besten geeignet sind. Als Beispiel für solch eine Galvanisierung kannst Du die Münzen in Deinem Geldbeutel betrachten.

1-, 2-, und 5-Cent-Münzen bestehen aus Eisen. Das ergibt natürlich Sinn, denn Eisen ist Element mit sehr geringem Wert. Es hat jedoch das Problem, dass es sehr schnell anfängt zu rosten. Deswegen wird die Oberfläche mit Kupfer überzogen, das ein deutlich rostbeständigeres Element ist. Der Hauptbestandteil der Münzen ist also ein Kern aus Eisen, der zum Schutz von einer Kupferschicht umhüllt ist. Durch diese Galvanisierung bleiben die Münzen also günstig in der Herstellung und können länger benutzt werden.

Das Rosten ist das Reagieren von Eisen oder Stahl mit Sauerstoff in der Gegenwart von Wasser. Es ist eine Oxidationsreaktion, welche die chemische Zersetzung von Eisen oder Stahl herbeiführt.

Galvanisieren Elektrolyse

Eine Elektrolyse ist ein Verfahren aus der Galvanotechnik, mit dem Du elektrische Energie in chemische Energie umwandeln kannst. Sie ist die Basis einer jeden Galvanisierung. Du weißt ja bereits, dass beim Galvanisieren Metallionen an einem Metallobjekt abgeschieden werden. Dies geschieht durch eine Elektrolyse, denn für die Abscheidung der Ionen an dem Metallobjekt ist ein Strom notwendig.

Die Elektrolyse ist ein chemischer Prozess, bei dem durch eine elektrische Spannung eine Redoxreaktion verursacht wird.

Die elektrische Spannung, die angelegt wird, kann auch als Aktivierungsenergie für die Reaktion betrachtet werden. Im Grunde genommen geht es bei einer Redoxreaktion darum, dass ein Reaktionspartner oxidiert wird, also Elektronen verliert, während der andere diese Elektronen aufnimmt, also reduziert wird.

Eine Redoxreaktion ist eine Reaktion, bei der Elektronen von einem Reaktionspartner auf den anderen Reaktionspartner übertragen werden.

Galvanisieren Aufbau

Die Prozesse einer Galvanisierung kannst Du Dir sicher besser vorstellen, wenn Du den Aufbau der Reaktion betrachtest. Stell Dir also einen Behälter vor, mit einer wässrigen Lösung und zwei Metallstäben aus unterschiedlichen Metallen, die darin eingetaucht sind. Dabei ist das erste Metallstück das Objekt, das beschichtet werden soll und das zweite ist das Beschichtungsmaterial. Die beiden Metallstäbe sind an eine Stromquelle angeschlossen, die dafür sorgt, dass Elektronen vom Beschichtungsmetall zum Metallobjekt fließen. Die Lösung beinhaltet Metallionen aus dem Beschichtungsmetall.

Durch die Stromquelle fließen Elektronen von dem Beschichtungsmetall zum zu beschichtenden Gegenstand. Das ist aber nur ein Teilprozess beim Galvanisieren. Gleichzeitig lösen sich nämlich Atome von dem Beschichtungsmetallstück und liegen dann als positiv geladene Ionen, auch Kationen genannt, in der wässrigen Lösung vor. Die positive Ladung stammt daher, dass einige ihrer Elektronen durch den angesetzten Strom zum Metallgegenstand fließen.

Kationen sind positiv geladene Ionen. Das bedeutet, sie haben mehr Protonen als Elektronen. Neutrale Atome haben gleich viele Protonen und Elektronen, daher die Neutralität, denn Protonen sind positiv geladen und Elektronen sind negativ geladene Teilchen. Wenn also ein Atom Elektronen abgibt, wird es zum Kation. Dieser Vorgang geschieht beim Galvanisieren mit dem Beschichtungsmetall.

Von dem Beschichtungsmetall trennen sich also Elektronen ab und es entstehen dadurch wasserlösliche Kationen. So erhöht sich im Wasser die Konzentration der Kationen des Beschichtungsmetalls. Die Elektronen fließen über den Stromkreis zum Metallobjekt, dadurch entsteht dort eine negative Ladung, um die sich im Wasser die Kationen ansammeln. Dort werden sie an der Oberfläche des Metallgegenstands wieder zu ihrem elementaren Zustand reduziert.

Mit dem sogenannten elementaren Zustand ist gemeint, dass die Elemente eine Oxidationszahl von 0 haben, also neutral sind. Fast alle Metalle sind im elementaren Zustand Feststoffe. Das bedeutet, sofern sie nicht mehr Ionen sind sie auch nicht mehr im Wasser gelöst.

Galvanisieren - Galvanische Zelle

Vielleicht kommen Dir die bereits erwähnten Prozesse bekannt vor. Das grundlegende Prinzip dieser Prozesse ist nämlich eine Redoxreaktion, die in einer galvanischen Zelle abläuft. Diese besteht aus zwei Halbzellen: eine Kathode und eine Anode. Wie Du schon weißt, besteht eine Redoxreaktion aus einer Reduktion und einer Oxidation. Der Reaktionspartner, der die Elektronen abgibt, wird oxidiert und der, der sie aufnimmt wird reduziert. Da die Reduktion an der Kathode geschieht, kannst Du Dir schon denken, in welche Richtung die Elektronen fließen.

Eine Galvanische Zelle ist eine Anordnung von Anode und Kathode, an denen eine Redoxreaktion stattfinden kann. Dabei geschieht die Oxidation bei der Anode und die Reduktion bei der Kathode.

Das Beschichtungsmetall gibt Elektronen ab, es wird also oxidiert. Da die Oxidation dort stattfindet, ist das die Anode in diesem Galvanischen Element. Die Metallionen, die bei der Oxidation entstehen, nähern sich im Wasser dem zu beschichtenden Gegenstand, an dem viele Elektronen haften. Da dort die Metallionen reduziert werden, stellt der Metallgegenstand die Kathode dar. Damit eine Galvanische Zelle funktioniert, muss der Elektronenfluss daher immer von der Anode zur Kathode stattfinden.

Jetzt hast Du eine gute Vorstellung einer Galvanisierung. Diese kannst Du auch für das obige Beispiel der Münzen anwenden. Stell Dir also eine 1-, 2-, oder 5-Cent-Münze vor, die zum Schutz galvanisiert wird. Der Eisenkern wurde bereits hergestellt und nun muss die Kupferschicht her, die die Münze vor Rost schützt.

Galvanisieren Anwendungsbeispiele

Wie Du schon dem Beispiel der Münze entnommen hast, kann das Galvanisieren angewandt werden, um eine Schutzfunktion zu erfüllen. Im Allgemeinen ist das auch die wichtigste Funktion der meisten Galvanisierungen. Eine weitere sehr wichtige Anwendung der Galvanotechnik ist die Beschichtung von Metallen zur Verbesserung der Ästhetik, also um einen Gegenstand zu verschönern. Es gibt allerdings auch andere Möglichkeiten zur Anwendung. Dazu gehören zum Beispiel Anwendungen in der Elektrotechnik, Medizin und analytischen Chemie.

Galvanisieren Schutz

Wie Du bereits weißt, ist Schutz einer der wichtigsten Anwendungsbeispiele vom Galvanisieren. Wenn man über den chemischen Schutz eines Gegenstands durch Galvanisieren spricht, ist der Schutz meistens gegen sogenannte Korrosion gedacht. Ein anderes häufiges Beispiel ist der Schutz gegen Verschleiß. Beide Anwendungsbeispiele der Galvanotechnik kannst Du Dir nachfolgend etwas detaillierter ansehen.

Korrosion

Ein Beispiel von galvanischem Schutz gegen Korrosion hast Du oben schon gesehen. Korrosion ist nämlich nichts weiter als der chemische Fachbegriff für Rost. Genauer gesagt ist es das Reagieren eines Werkstoffs mit seiner Umgebung, wodurch der Werkstoff messbar beeinträchtigt wird. Metalle können zum Beispiel durch Reaktionen mit der Luft oder mit Wasser beginnen, sich zu zersetzen, also zu korrodieren.

Wenn Du Dein Fahrrad unter freiem Himmel abstellst, kann es passieren, dass es beginnt zu regnen und Dein Fahrrad nass wird. Abgesehen vom nassen Sattel hat das den Nachteil, dass das Metall mit dem Wasser reagieren kann und so korrodiert. Das ist der Grund für das häufige Phänomen von Rost an Fahrrädern.

Die Anfälligkeit für Korrosion ist abhängig von dem gewählten Material für das Fahrrad. Der Rahmen besteht meistens aus Aluminium, Edelstahl oder Carbon, die nicht sehr anfällig für Korrosion sind. Einzelne Fahrradteile sowie Speichen, Bremsen oder die Kette müssen jedoch oft aus anderen Materialien gebaut werden. Diese Teile werden demnach häufig galvanisiert, um zu verhindern, dass sie korrodieren.

Verschleiß

Verschleiß ist ein Problem, welches häufig bei Maschinen oder in mechanischen Werken auftaucht. Die Ursache dafür ist die Abnutzung einiger Teile eines Apparats über einen langen Zeitraum, was dazu führt, dass die Maschine oder Anlage nicht mehr einwandfrei funktioniert.

Unter Verschleiß versteht man den Masseverlust eines Materials an der Oberfläche durch physikalische, chemische oder thermische Beanspruchung.

Da es langfristig betrachtet ein Risiko für die Maschine darstellt, wird im Maschinenbau darauf geachtet, dass die gewählten Materialien langlebig sind. Dazu können auch Maschinenteile galvanisiert werden. Unter anderem bietet das Auto ein anschauliches Beispiel.

Auch in Fahrzeugen kann es zu Verschleiß kommen – genauer gesagt, in jeder Maschine mit Kupplung, Getriebe, Düsen oder Bremsen. Verschleiß entsteht nämlich oft durch Reibung, Kratzen oder durch Hitze. Besonders hier bietet sich die Galvanik als Lösung an. Zum Beispiel können Auto- oder Maschinenteile mit Metallen überzogen werden, die besonders resistent gegen Schäden an der Oberfläche sind. Am häufigsten werden für diese Funktion Kupfer, Zink, Chrom oder Nickel verwendet.

Galvanisieren Ästhetik

Das zweithäufigste Ziel beim Galvanisieren ist, die Ästhetik zu verbessern. Beispielsweise können Uhren oder Schmuck "vergoldet" oder "versilbert" werden. Das sind Bezeichnungen für eine galvanische Beschichtung mit Gold oder Silber, das Material wird dabei nämlich nicht in Gold oder Silber umgewandelt. Durch das Galvanisieren kann also ein Schmuckstück aussehen wie Gold, jedoch im Inneren aus einem anderen Material bestehen, das weniger kostet.

Galvanisieren Sonstige Anwendungen

Zu den sonstigen Anwendungsbeispielen der Galvanisierung gehören Anwendungen in der Medizin, der Elektrotechnik, der analytischen Chemie und viele weitere. Zum Beispiel werden in der Elektrotechnik Gegenstände oft mit Metallen beschichtet, um die elektrische Leitfähigkeit des Gegenstands zu erhöhen. In der Medizin sind es oftmals Prothesen oder Implantate, die galvanisiert werden, bevor sie in den Körper eingesetzt werden, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen.

Galvanisieren Reaktionsgleichung

Nun verstehst Du den Vorgang beim Galvanisieren und kannst deswegen auch die Reaktionsgleichung besser nachvollziehen. Ein Metall zersetzt sich aus seinem Feststoffzustand als positives Ion in einer wässrigen Lösung und wird durch die negative Ladung an der Kathode angezogen. Dort wird es mit Elektronen beliefert, die durch die Zersetzung der Anode und den Strom an die Kathode gelangen.

Die Metallionen, die ursprünglich der Anode angehörten, nehmen Elektronen auf und scheiden sich an der Kathode wieder ab als Feststoff. Damit sind sie keine Ionen mehr, sondern kleben quasi in elementarem Zustand an der Kathode, dem zu beschichtenden Gegenstand.

Wie sonst auch bei den Reaktionen in einer galvanischen Zelle wird die Reaktionsgleichung in zwei Gleichungen aufgeteilt. Es wird die Gleichung für die Reaktion an der Anode aufgeschrieben und separat die Reaktionsgleichung für die Reaktion an der Kathode. Auch das kannst Du Dir am Beispiel der Münze veranschaulichen.

Die Münze aus Eisen wird zum Schutz mit Kupfer beschichtet. Der chemische Vorgang besteht aus einer Zersetzungsreaktion an der Anode und der Abscheidung der Metallionen an der Kathode. Die beiden Reaktionsgleichungen lassen sich wie folgt aufschreiben.

Reaktion an der Anode: \(Cu_{(s)} \rightarrow Cu^{2+}_{(aq)} + 2\space e^-\)

Reaktion an der Kathode: \(Cu^{2+}_{(aq)} + 2\space e^- \rightarrow Cu_{(s)} \)

Auch wenn hier beispielsweise ein Eisenkörper beschichtet wird, ist das Eisen nicht an der Reaktion beteiligt. Nur diejenigen Reaktionspartner die auch tatsächlich umgesetzt, oxidiert oder reduziert werden, werden in den jeweiligen Reaktionsgleichungen notiert.

Galvanisieren Beispiele

Wie oben angedeutet, hat das Galvanisieren viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten – von der Münze bis zu Schmuck, Autoteilen oder anderen Maschinen. Die folgenden beiden Beispiele werden Dir helfen, Dich stärker mit der Galvanotechnik in Deinem Alltag vertraut zu machen.

Galvanisieren Beispiel 1: Regenrinne/Rohr

Ein besonders häufiges Beispiel einer Galvanisierung, die zum Schutz eines Metallobjekts gilt, ist die Regenrinne. Jedes Haus hat eine solche Regenrinne und ein Regenablaufrohr. Besonders hier ist es natürlich wichtig, dass diese Regenrinne mit den dazugehörigen Rohren korrosionsbeständig ist. Denn bei jedem Kontakt von Wasser mit Eisen oder Stahl besteht die Gefahr, dass es beginnt zu rosten. Regenrinnen, die aus Kostengründen aus Stahl hergestellt werden, werden also oftmals verzinkt oder verkupfert, um die Rostbeständigkeit zu erhöhen.

Als Beispiel kannst Du Dir die Verzinkung von einer Regenrinne aus Stahl anschauen. Rost ist das Produkt einer Oxidation, deswegen eignet sich Zink besonders gut für Regenrinnen, da es nicht leicht oxidiert. Mittlerweile gibt es schon sogenannte Zinksprays, die auf die Dachrinne aufgetragen werden können.

Galvanisieren Beispiel 2: Felgen

Ein alltägliches Beispiel einer Galvanisierung zur Verbesserung der Ästhetik sind die Felgen am Auto. Diese werden galvanisch behandelt, damit sie glänzen und eine optisch ansprechende Farbe bekommen. Oft sind zum Beispiel die Felgen verchromt, also mit Chrom überzogen, was eine glänzende Oberfläche mit sich bringt.

Bei verchromten Felgen ist der Prozess etwas aufwendiger. Normalerweise werden die Felgen dafür zuerst mit Säure behandelt, um sie zu reinigen, und im Anschluss poliert. Danach werden sie erst mit Nickel überzogen, dann mit Bronze und zuletzt mit Chrom. Es wird also gleich dreimal galvanisiert. Der Grund dafür ist, dass die Materialien auf diese Weise besser haften und die Chromfelgen damit längere Lebzeiten haben.

Galvanisieren – Das Wichtigste

  • Galvanisieren ist das Beschichten eines Metallobjekts mit einem anderen Metall
  • Die häufigsten Elemente für die Beschichtung sind Kupfer, Zink, Cadmium, Zinn, Nickel und Chrom
  • Hauptsächlich hat das Galvanisieren zwei Anwendungen: Schutz und Ästhetik
    • Ein Gegenstand kann mit einem Metall galvanisiert werden, dass zum Beispiel rostbeständiger ist und damit gegen Rost geschützt sein.
    • Schmuck wird oft galvanisiert, um dem Schmuckstück einen schönen Glanz oder eine andere Farbe zu geben.
  • Die Anwendungsbereiche der Galvanisierung sind breit gefächert und finden sich auch in unserem Alltag wieder, zum Beispiel wird das Galvanisieren auf Schmuck, Uhren, Münzen, Autos oder Regenrinnen angewandt.

Nachweise

  1. N. Kasnani. (2009). Galvanotechnik – Grundlagen, Verfahren und Praxis einer Schlüsseltechnologie. Hanser.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Galvanisieren

Bei der Galvanisierung wird ein Metall- oder Stahlobjekt mit einem anderen Metall überschichtet. 

Eine galvanische Beschichtung ist eine Methode zur Überschichtung eines Metallgegenstands mit einem anderen Metall.

Die Mehrheit der Metalle und Stähle können gut galvanisiert werden. Dabei können sehr verschiedene Gegenstände beschichtet werden. Häufige Beispiele sind Schmuck/Uhren, Felgen, Auto- oder Maschinenteile.

Eisen hat das Problem, dass es leicht anfängt zu rosten. Deswegen werden Gegenstände aus Eisen oft galvanisiert um es mit einem Metall zu überziehen welches deutlich rostbeständiger ist. Somit hat die Galvanisierung von Gegenständen aus Eisen meist eine Schutzfunktion.

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