Versuch 4: Faradaysche Gesetze - Coulometer

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Versuch 4 Faradaysche Gesetze - Coulometer

• Nico Meuter
• Denise Lange

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Ziel des Versuches

• Überprüfung der Faradayschen Gesetze
• Ermittelung der Faraday-Konstante F mittels eines
  Kupfercoulometers.

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(No Transcript)
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Michael Faraday

• 22.Sept. 1791 25.Aug. 1867
• Englischer Physiker und Chemiker
• 1821 elektromagnetische Rotation
• 1831 Entdeckung der Elektromagnetischen Induktion
• 1832 Grundgesetze der Elektrolyse ( Faraday
  Gesetze)
• 1845 Entdeckung des Faraday-Effekts
• Erfinder der Weihnachtsvorlesung

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Elektrolyse
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Elektrolyse
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Elektrolyse

• eine durch elektrischen Strom erzwungene
  Redoxreaktion.

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Elektrolyse

• eine durch elektrischen Strom erzwungene
  Redoxreaktion.
• Oxidation und Reduktion laufen voneinander
  räumlich getrennt ab.

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Elektrolyse

• eine durch elektrischen Strom erzwungene
  Redoxreaktion.
• Oxidation und Reduktion laufen voneinander
  räumlich getrennt ab.
• Spannungsquelle dient nur als Elektronenpumpe
  (die Reaktionen an den Elektroden laufen demnach
  freiwillig ab).

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Elektrolysegleichungen

• Kathode
• 2e- Cu2 ? Cu (s) (Reduktion)

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Elektrolysegleichungen

• Kathode
• 2e- Cu2 ? Cu (s) (Reduktion)
• ? Anode
• 2 SO42- ? S2O82- 2e-
• 2 H2O ? O2 4 H 4e-
• Cu (s) ? Cu2 2e- (Oxidation)

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Warum wird nur Kupfer oxidiert?

• Um Sulfat-Ionen bzw. Wasser zu oxidieren,
  benötigt man eine viel größere Spannung als die
  für die Oxidation von Kupfer gebrauchte.
• Es handelt sich hierbei um eine Elektrode
• 1. Art (Metall taucht in die Lösung seiner
  eigenen Ionen).

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1. Faradaysches Gesetz

• Die Masse der elektrolytischen Zersetzungsprodukte
  ist der durchgegangenen Elektrizitätsmenge
  proportional.

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1. Faradaysches Gesetz

• Die Masse der elektrolytischen Zersetzungsprodukte
  ist der durchgegangenen Elektrizitätsmenge
  proportional.
• m Q

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1. Faradaysches Gesetz

• Die Masse der elektrolytischen Zersetzungsprodukte
  ist der durchgegangenen Elektrizitätsmenge
  proportional.
• m Q
• m I t

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Elektrizitätsmenge Q Coulomb (C)
1 Coulomb bezeichnet die Menge an Strom, die bei
Stromstärke von 1 Ampere innerhalb einer Sekunde
fließt, daher hat Coloumb die Einheit As
(Amperesekunde) Eine andere Dimension ist die
Ladung q/Q. Um eine Ladung von 1 Coulomb gegen
ein Potential von 1 Volt bewegen zu können, muss
1 Joule J aufgebracht werden. 1 J 1 V C
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Stromstärke (I)
Ein Ampere ist die Stärke eines zeitlich
unveränderlichen elektrischen Stromes, der, durch
zwei im Vakuum parallel im Abstand 1 Meter
voneinander angeordnete, geradlinige, unendlich
lange Leiter von vernachlässigbar kleinem,
kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen
diesen Leitern pro 1 Meter Leiterlänge die Kraft
2 10 -7 Newton hervorrufen würde. Alte
Definition Im Reichsgesetzblatt von 1898 wurde
ein Ampere als die Stärke eines Stromes
definiert, der in einer Sekunde mittels
Elektrolyse aus einer Silbernitratlösung 1,118 mg
Silber abscheidet.
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2. Faradaysches Gesetz

• Die durch gleiche Elektrizitätsmengen aus
  verschiedenen Stoffen abgeschiedenen Massen
  verhalten sich wie durch die Ladungszahlen der
  Zellreaktion dividierten molaren Massen.

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2. Faradaysches Gesetz

• Die durch gleiche Elektrizitätsmengen aus
  verschiedenen Stoffen abgeschiedenen Massen
  verhalten sich wie durch die Ladungszahlen der
  Zellreaktion dividierten molaren Massen.
• m1 (M1 / z1)
• m2 (M2 / z2)

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2. Faradaysches Gesetz

• Die durch die Ladungszahl dividierten molaren
  Massen nennt man auch Äquivalentengewichte.

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2. Faradaysches Gesetz

• Die durch die Ladungszahl dividierten molaren
  Massen nennt man auch Äquivalentengewichte.
• Aus einer Cu-Lösung läst sich demnach doppelt
  soviel Gramm metallisches Kupfer bei gleicher
  Elektrizitätsmenge abscheiden wie aus einer
  Cu2-Lösung.

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Beziehung zwischen 1. und 2. Faradayschen Gesetz

• Die zwei Faradayschen Gesetze können in einer
  einzigen Beziehung zusammengefasst werden

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Beziehung zwischen 1. und 2. Faradayschen Gesetz

• Die zwei Faradayschen Gesetze können in einer
  einzigen Beziehung zusammengefasst werden
• I t M
• m
• ne F
• I Stromstärke t Zeitdauer des Stromflusses
• M Molmasse ne elektrochemische Wertigkeit
• F Faraday Konstante

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Die Faradaykonstante F

• Die Faradaykonstante F gibt die Ladungsmenge pro
  Mol Elektronen an.
• F 96485 C/mol
• Sie stellt außerdem eine Verbindung zwischen
  elektrochemischen Messungen und thermodynamischen
  Eigenschaften her.

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Verbindung zur Thermodynamik

• ?G -n F ? E0
• ?G Änderung der freien Enthalpie
• (Anteil der Wärme, der in mechanische Arbeit
  umgewandelt werden kann).
• ?G lt 0 freiwillig
• ?G gt 0 nicht freiwillig

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Ermittlung der Faradaykonstante

• I t M
• m
• ne F

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Ermittlung der Faradaykonstante

• I t M
• m
• ne F
• I t M Q M
• F
• m z m z

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Messung der Stromstärke
Ein Strommessgerät oder auch Amperemeter wird in
den zu messenden Stromkreis in Reihe eingebaut
Das heisst, der Stromkreis muss unterbrochen
werden, damit der Strommesser eingebaut werden
kann. Hinweis Ein Spannungsmessgerät wird
Parallel eingebaut. Hier muss der Stromkreis
nicht aufgetrennt werden, da man dieses einfach
aufklemmen kann. Eine weitere Möglichkeit, die
Stromstärke zu messen, besteht darin, das man das
induzierte magnetische Feld misst. Auf diese
weise muss der Stromkreis nicht unterbrochen
werden.
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Spannung (U)
Die Spannung U beschreibt die Potentialdifferenz
zwischen zwei Punkten und somit die Arbeit, die
pro Ladung verrichtet wird. Um ein Ion in der
Lösung von einem Ort zu einem anderen zu
bewegen ist eine gewisser Widerstand zu
überwinden.
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Versuchsdurchführung

• Kupfercoulometer mit wässriger Kupfersulfatlösung
  füllen
• Kathode mit destilliertem Wasser und Ethanol
  spülen und trocknen lassen
• Mit Analysenwaage wiegen ( 0,1 mg)
• Aus Gewichtsunterschied vor und nach Elektrolyse
  wird Menge des abgeschiedenen Kupfers ermittelt.

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a) Masseänderung in Abhängigkeit der Stromstärke

• Konstante Zeit (t 600s)
• Unterschiedliche Stromstärken
• 0,6 A
• 0,8 A
• 1,0 A
• 1,2 A
• 1,4 A

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b) Masseänderung in Abhängigkeit der Zeit

• Konstante Stromstärke (I 1,2 A)
• Unterschiedliche Elektrolysedauer
• 300 s
• 600 s
• 900 s
• 1200 s
• 1500 s

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Diagramm a)
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Diagramm b)
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Auswertung

• Ermittelung der Geradengleichung mit der Form
• y ax b

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Auswertung

• Ermittelung der Geradengleichung mit der Form
• y ax b
• Für die Steigung a ergibt sich im Versuchsteil a)
  folgende Formel

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Auswertung

• Ermittelung der Geradengleichung mit der Form
• y ax b
• Für die Steigung a ergibt sich im Versuchsteil a)
  folgende Formel
• t M
• a
• z F

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Auswertung

• umgestellt nach F ergibt sich
• t M
• F
• a z

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Auswertung

• umgestellt nach F ergibt sich
• t M
• F
• a z
• ? für Versuchsteil b)
• I M I M
• a F
• z F z a

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Beispiel

• t 600s M(Cu) 63,546 g/mol
• z 2 a 0,19678
• 600 63,546
• F C/mol 2 0,19678
• 96878,84 C/mol

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Anwendung Funktion der Faradayschen Gesetze

• Dient als Stütze der Atomtheorie, da
• m Q müssen während der Elektrolyse Stoffe in
  kleinsten Portionen umgesetzt werden.

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Anwendung Funktion der Faradayschen Gesetze

• Dient als Stütze der Atomtheorie, da
• m Q müssen während der Elektrolyse Stoffe in
  kleinsten Portionen umgesetzt werden.
• F 96485 C mol-1
• e NA 6,022 10-23 mol-1
  1,6021 10 -19 C
• e Elementarladung

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Anwendung Funktion der Faradayschen Gesetze

• Für die Bestimmung relativer Molmassen M und
  Ladungszahlen z.
• I t M Q M
• F
• m z m z

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Anwendung Funktion der Faradayschen Gesetze

• In der Galvanik, wo z.B. bei bekannter
  geometrischer Oberfläche A die Anschätzung der
  Schichtdicke d berechnet werden kann
• M Q M I t
  
• d z A ? F z A ? F

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Technische Anwendungen

• Kupferveredelung
• Unedles Kupfer wid in eine Elektrolytlösung
  getaucht und auf eine andere Elektrode
  elektrolysiert. So erhält man 99 reines Kupfer.
• Chlor-Alkali-Elektrolyse
• Gewinnung von Chlor, Wasserstoff und NaOH aus
  NaCl-Lösung durch Elektrolyse.
• Amalgam-Verfahren
• Ionenselektive Membran

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(No Transcript)