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Physik im Sachunterricht

Thema: Bestimmung der Faraday- Konstante durch Elektrolyse

 Die elektrolytische Dissoziation; das Ion

Ein Stoff leitet den elektrischen Strom, wenn er geladene, bewegliche Teilchen    enthält. Stoffe mit beweglichen, aber ungeladenen Partikeln (z.B. irgendwelche Gase) oder Stoffe mit geladenen, aber unbeweglichen Teilchen (z. B. Salzkristalle) leiten den elektrischen Strom nicht. Untersucht man die wässerigen Lösungen von allen möglichen Stoffen auf ihre elektrische Leitfähigkeit, dann findet man zwei Kassen von Verbindungen:

1 Stoffe, welche leitende Lösungen           2. Stoffe, welche nichtleitende Lösungen   bilden          bilden=Elektrolyte                                                   = Nichtelektrolyte

Beispiele:                                                       Beispiele: |  

Kochsalz                                                        Rohrzucker

Schwefelsäure                                               Alkohol

Kaliumcarbonat                                              Formaldehyd    

Natriumhydroxid                                             Aceton

Essigsäure                                                      Glycerin

Eiweiß                                                               Stärke

 

                             

 Elektrolyte sind Stoffe, welche in                   Nichtelektrolyte   sind Stoffe, deren

gelöstem oder geschmolzenem Zu-                 wässerige Lösungen den elektri-

stand den elektrischen Strom lei-                        schen Strom nicht leiten. Alle Stoffe

ten, im festen Zustand aber Nichtleiter           außer den Säuren, Basen und Salzen

sind (im Gegensatz zu den Metallen,                 sind Nichtelektrolyte (Elemente. Oxide,

welche auch als Festkörper leiten)  Alle               zahlreiche organische Verbindungen).

Säuren, Basen und Salze sind Elek-

trolyte.

Gemäss Definition des elektrischen Leiters (s. oben) müssen die wässerigen Lösungen von Säuren, Basen und Salzen geladene, bewegliche Teilchen, sogenannte Ionen enthalten. Weil die Lösungen nach außen elektrisch neutral erscheinen, müssen stets gleich viel positive und negative Ladungen vor­handen sein.

Ionen liegen immer dann vor, wenn in einem Atom oder Molekül die Gesamtzahl der Kernladungen nicht mit der Gesamtzahl der Elektronen übereinstimmt.

Elektronenüberschuss: negative Ionen   

Elektronendefizit         : positive Ionen

 

Bei den Elektrolyten bilden sich die Ionen durch Spaltung von Molekülen. Die Elektronen verteilen sich dabei derart ungleich auf die Bruchstücke, dass diese geladen erscheinen. Dieser Vorgang heißt elektrolytische Dissoziation. Wasser begünstigt die Dissoziation in Ionen.

 

 Elektrochemie 1. Elektrolyse

Verbindet man zwei Metallplatten über eine elektrische Batterie oder eine andere Gleichstromquelle, werden die Platten durch die angelegte Spannung entgegen­gesetzt aufgeladen. Taucht man diese Platten (Elektroden) in eine Elektrolytlösung oder -schmelze, dann fließt Strom. Das bedeutet, dass sich geladene Partikel im Stromkreis bewegen. Weil sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, wandern die positiv geladenen Ionen zur negativen Elektrode, die negativ geladenen zur positiven Elektrode. In der Lösung übernehmen also die Ionen den Ladungstrans­port. im metallischen Leiter sind es frei bewegliche Elektronen. Stromrichtung ist immer die Fliessrichtung der positiven Ladung. Im metallischen Leiter sind Strom­richtung und Elektronenfluss entgegengesetzt.

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

Elktrotrolytlösung

 

Die positive Elektrode heißt Anode, die von dieser angezogenen negativen Ionen sind Anionen. Die negative Elektrode ist die Kathode, die zu ihr  wandernden positiven Ionen sind Kationen. Die Ladungen von Anode  und Anion sind also entgegengesetzt. Dasselbe gilt von Kathode und Kation.  s. Abb.

An der Kathode treten Elektronen in die Lösung aus. Die am leichtesten reduzierbaren Teilchen in der Umgebung der Kathode nehmen diese auf. Von der Anode werden Elektronen abgesogen. Die am leichtesten oxidierbaren Teilchen in der Umgebung der Anode, evtl. das Anodenmaterial selbst, geben diese ab. Die Stromquelle wirkt als Elektronenpumpe, Der gesamte Prozess an beiden Elektroden heißt Elektrolyse.

Eine Elektrolyse ist ein erzwungener Redoxvorgang mit räumlich ge­trennter Oxidation und Reduktion.

 

4. Geräte:

Elektrolysezelle, Cu- Elektroden, Gleichspannungsquelle, Widerstand Amperemeter, Waage, CuSO4-Lösung, Stoppuhr.

5. Gang des Versuchs und Auswertung:

Der CuSO4.-Lösung gibt man etwas H2SO4, zu und Alkohol, der die H2-Entwicklung an der Kathode unterdrücken soll. Die beiden Elektroden müssen vor der Elektrolyse gereinigt, getrocknet und ge­wogen werden. Die Elektrolyse selbst soll ca. 20 Min. dauern und bei einer konstanten Stromstärke I = 0,2A bis 0,5 A durchgeführt werden. (Zeit genau messen!) Das Experiment wird bei zwei verschiedenen konstanten Stromstärken durchgeführt. Wegen der Bilanz der elektrischen Ladungen müssen beide Menge gleich sein. Die Richtigkeit dieser Folgerung lässt sich durch Wägung der Elektroden nachprüfen.

Nach Beendigung der Elektrolyse werden Anode und Kathode vorsichtig mit dest. Wasser, bzw. Alkohol      abgespült (es darf kein CuSO4 an den Elektroden haften bleiben) und erneut gewogen.

Aus der abgeschiedenen Stoffmenge ist die Faradaykonstante (s. Gl. 6) zu berechnen.

 Q0, 2 = 0, 2 A * 1200 s = 240 As                        Q0, 5 = 0, 5 A* 1200 s = 600 As

 

 

 

Gewicht vorher

Gewicht nach 20 m.

I = 0, 2 A

Kathode

  18, 80 g.

   18, 88g.

I = 0, 2 A

Anode

  22, 06 g.

   21, 97g.

I = 0, 5 A

Kathode

  22, 30 g.

   22, 57g.

I = 0, 5 A

Anode

  22, 60 g.

   22, 37g.

  Berechnung der Faradaykonstante F aus der abgeschiedenen Stoffmenge m :

 

m= M∕z* Q∕ F ↔ F= M/z*Q/m

 

F0, 2= 63, 5 : 2 * 240 C : 0, 08= 31, 75 * 3000= 95250 C*Mol-1

 

F0, 5= 63, 5 : 2 * 600 C : 0, 21= 31, 75 * 2857, 14= 90714, 29 C*Mol-1

 

 

Erörterung des Ionenbegriffs:

 

Betrachten wir zunächst noch einmal die Stromleitung in einer CuSO4  - Lösung, in die wir ja zwei gleiche Kupferelektroden hineintauchen. Dabei ergab sich, dass sich an der negativen Elektrode Kupfer abscheidet, während die positive Elektrode leichter wird. Offenbar wandern mit den positiven Ladungsträgern die wesentlichen Bestandteile des Kupfers mit, während ein SO4-  Ion, das negative Ladung trägt, sich auf der positiven Kupferelektrode absetzt und dort mit dem Kupfermaterial CuSO4 bildet.

Lehrer/in sollte nun wissen, dass dem Cu- Ion zwei Elektronen gegenüber dem Cu- Atom fehlen. Man schreibt daher Cu++  für das Cu- Ion. Das SO4 hat dann zwei Elektronen zuviel     ( Schreibweise SO4--) An der negativen Elektrode nimmt das Cu++ , das dort ankommt, zwei Elektronen zuviel ( 2 e ) aus der Spannungsquelle auf und wird zu einem Cu- Atom. An der positiven Elektrode geht metallisches Kupfer unter Ionenbildung in „Lösung“. Jedes Kupferion, das auf diese Weise in Lösung entsteht, lässt zwei Elektronen in der positiven Elektrode zurück, die zur Spannungsquelle abwandern. Ein an dieser Elektrode angekommenes SO4 Ion bildet zusammen mit einem in Lösung gegangenen Cu- Ion neutrales CuSO4. Die elektrolytische Flüssigkeit bleibt also im Ganzen erhalten!

Die Stromleitung erscheint demnach in der Flüssigkeit als wechselseitiger                  ( Stichwort: >>Wechselwirkung, actio=reactio<<) Transport verschiedenartiger Ladungsträger, im Draht als Wanderung von Elektronen, die sich vom negativen zum positiven Pol der Spannungsquelle bewegen. Der Gesamtvorgang ist also nicht mehr ohne weiteres zu vergleichen.

 

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