„Endlich eine Praxistaugliche Wasserstoffelektrode“ · Workshop „Endlich eine Praxistaugliche Wasserstoffelektrode“ MNU Bundekongress, 10.04.2014 – 13.04.2014, Kassel Denise

Workshop

bdquoEndlich eine Praxistaugliche Wasserstoffelektrodeldquo

MNU Bundekongress 10042014 ndash 13042014 Kassel

Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg

Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel

Martin Schwab Armin-Knab-Gymnasium Kitzingen

Kurzbeschreibung des Workshops

Liste der Versuche

Experimente zum Selbermachen - Arbeitsblatt

Unterlagen zu den Versuchen

Versuchsvorschrift bdquoChemie in der Petrischaleldquo

Versuchsvorschrift bdquoReduktion von Eisenoxid mit Wasserstoffldquo zur

Entwicklung Wasserstoff aus Zink und Schwefelsaumlure

Versuchsvorschrift bdquoPrinzip der Wasserstoffentwicklungszelleldquo

Kurzanweisung zur Aktivierung von HydroFlex

Versuchsvorschrift bdquoMessung der Standardpotentialeldquo

Versuchsvorschrift bdquoRedoxpotential und Konzentrationldquo

Versuchsvorschrift bdquoKonzentrationszelle pH-Messungldquo

Unterlagen zum Vortrag bdquoEndlich eine praxistaugliche Wasserstoffelektrodeldquo

Produktsteckbrief HydroFlex

Was erwartet Sie in diesem Workshop

In verschiedenen Experimenten soll die Praxistauglichkeit der HydroFlex erfahren

werden Aufgrund der Besonderheit dieser Elektrode ergeben sich zwei

Schwerpunkte ndash Methoden zur Wasserstofferzeugung sowie die eigentliche

Potentialmessung mit HydroFlex

Es werden zunaumlchst Moumlglichkeiten zur Erzeugung kleiner Wasserstoffmengen im

Schulunterricht (Chemie in der Petrischale Wasserstoff durch Elektrolyse

Wasserstofferzeugung mittels Kipp-Kuumlvette) vorgestellt bevor dann der Frage auf

den Grund gegangen wird wie eine Zink-Luft-Batterie zum Wasserstoffgenerator

In den Experimenten des zweiten Schwerpunkts werden mit Hilfe von HydroFlex die

Standardpotentiale an ausgewaumlhlten Halbzellen bestimmt Aufgrund der Stabilitaumlt der

Potentiale kann HydroFlex auch eingesetzt werden um den Einfluss von

Konzentrationsaumlnderungen auf Redoxpotentiale zu untersuchen

Mit zwei HydroFlex-Elektroden wird auszligerdem ein Modellversuch zur pH-

Wertmessung durchgefuumlhrt

LITERATUR httpwwwfachreferent-chemiedefortbildungelektrochemie

httpwwwreference-electrodede

Liste der Versuche

Demonstrations-Versuche zur Wasserstofferzeugung

Chemie in der Petrischale Wasserstoff durch Elektrolyse

Wasserstofferzeugung mittels Zink und HCl in Kippkuumlvette

Wasserstoffgenerator bdquoKnopfzelleldquo

Gemeinschaftsversuch bdquoAktivierung von Hydroflexldquo

Hydroflex-Elektroden muumlssen vor dem Betrieb aktiviert werden Die wenigen

notwendigen Handgriffe werden gemeinsam durchgefuumlhrt damit jeder Teilnehmer

die Moumlglichkeit hat eine HydroFlex-Elektrode in Betrieb zu nehmen

Station 1 Messung von Standardpotentialen

Verschiedene Halbzellen werden gegen eine Normalwasserstoffelektrode als Bezugselektrode gemessen Da unter Schulbedingungen selten die Standard-bedingungen eingehalten werden erhaumllt man naumlherungsweise die Standard-potentiale die direkt miteinander vergleichbar sind und zB fuumlr die Ermittlung der Potentialdifferenz einer galvanischen Zelle benutzt werden koumlnnen

KupferKupfersulfatloumlsung

ZinkZinksulfatloumlsung

ZinnZinnchloridloumlsung

SilberSilbernitratloumlsung

Station 2 Redoxpotential und Konzentration

Es wird eine Kupferhalbzelle aufgebaut und das Potential gegen eine Normal-wasserstoffelektrode gemessen Nun wird konz Ammoniakloumlsung zugetropft und das Potential mit einem Messwerterfassungssystem verfolgt Das Potential sinkt bis in den negativen Bereich ab

Station 3 Konzentrationszellen - Modellversuch zur pH-Messung

Zwei Halbzellen die sich nur durch ihre Konzentration unterscheiden werden als Konzentrationszellen bezeichnet Diese liefern nur eine geringe Spannung die vom Konzentrationsverhaumlltnis und der Zahl der pro Redoxsystem ausgetauschten Elektronen abhaumlngig ist Bei Aumlnderung der Konzentration um eine Zehnerpotenz aumlndert sich bei der H2H

+ H2H+ Zelle das Potential um 0059 V

Station 1 Messen Sie die Standardpotentiale verschiedener Metalle gegen die

Wasserstoffelektrode HydroFlex

Messung der Standardpotentiale

Literaturwert Messergebnisse Eigene Anmerkungen

CuCu2+ Edeg= 034V

ZnZn2+ Edeg= -076V

AgAg+ Edeg= 080V

SnSn2+ Edeg= -014V

Station 2 Die Konzentrationsabhaumlngigkeit von Redoxpotentialen kann

beispielsweise durch die Zugabe von Ammoniak zur einer CuSO4-Elektrolytloumlsung

der Cu-Halbzelle verdeutlicht werden

Cu2+ + NH3 rarr[Cu(NH3)4]2+

Fuumlhren Sie diesen Versuch durch und notieren Sie das Zellpotential vor und nach der

Ammoniak-Zugabe

∆Evorher ∆Enachher Eigene Anmerkungen

Station 3 Fuumlhren Sie eine Messreihe mit Elektrolytloumlsungen unterschiedlicher

Konzentration wie oben beschrieben durch Notieren Sie ihre Ergebnisse und

uumlberpruumlfen Sie die theoretische Uumlberlegung dass sich bei einer Aumlnderung der

Konzentration um eine Zehnerpotenz das Potential der H2H+H2H

+ Zelle um 0059

V veraumlndert

Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E

c1 in moll pH

2 in moll pH

2 in Volt

Eigene Anmerkungen

Weitere Informationen sind den beiliegenden Unterlagen zu den Versuchen und zum

Vortrag Endlich eine praxistaugliche Wasserstoffelektrode zu entnehmen

Chemie in der Petrischale Das Standardpotential von Zink soll in einer mehrteiligen Petrischale gemessen werden Die Wasserstoff-Halbzelle besteht aus einem Platindraht welcher in eine 1 molare Salzsaumlure-Loumlsung taucht und durch Beruumlhren mit einem unedlen Metall zB einem Eisennagel mit Wasserstoff aufgeladen wird Es entsteht ein Lokalelement Hintergrund Der Versuchsaufbau fuumlr eine Standard-Wasserstoffelektrode ist recht aufwaumlndig weshalb nach einer einfacheren Alternative gesucht wird Eine Moumlglichkeit wird hier durch Bildung eines Lokalelements vorgestellt Gefahren

Signalwort Gefahr

Schutzbrille tragen Zink-Salze verursachen schwere Augenreizungen und sind gesundheits-schaumldlich beim Verschlucken Als Schwermetall- Salze sind sie sehr giftig fuumlr Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung daher nicht ins Abwasser entsorgen Nitrate sind brandfoumlrdernd Chemikalien Zinksulfatloumlsung 1 molar H302 H318 H410 Salzsaumlure 1molar H290 H314 H335 Kalimnitratloumlsung H272 Materialien mehrteilige Petrischale Platindraht Zinkspan Eisennagel 2 Krokodilklemmen Filterpapier als Stromschluumlssel Messgeraumlt zur Spannungsmessung

Versuchsaufbau Exemplarisch ist der Versuchsaufbau mit einer ZnZn2+-Halbzelle dargestellt Zur Messung der Standardpotentiale kann ein analoges Demonstrationsmultimeter oder ein Messwerterfassungssystem verwendet werden

Versuchsergebnis Der Eisennagel und der Platindraht bilden im Elektrolyten Salzsaumlure ein Lokalelement also ein kurzgeschlossenes galvanisches Element Dabei entsteht Wasserstoff der am Platindraht adsorbiert Nun liegt eine Normal-Wasserstoffelektrode vor und es kann das Standardpotential von Zink am Spannungsmessgeraumlt abgelesen werden Erklaumlrung Eine typische Normal-Wasserstoffelektrode besteht aus einem Platindraht welcher von Wasserstoffgas umspuumllt wird Im diesem Versuchsaufbau wird das Hantieren mit Gasspeichern vermieden indem direkt am Platin durch eine Lokalelement-Bildung Wasserstoff produziert wird Die bei der Reaktion Fe -gt Fe2+ + 2e- entstehenden Elektronen flieszligen dabei zum Platindraht Sie reagieren dort mit H3O

+- Ionen und an der Oberflaumlche des Pt-Drahtes entwickelt sich H2 Entsorgung Entsorgung entsprechend der schulischen Vorschriften Literatur [1] Klein aber fein Die Petrischale als elektrochemisches Minimalsystem Ruf Werner und Full Roland CHEMKON (Weinh) Wiley-VCH GmbH D-69451 Weinheim 1998 [2] Anorganische Chemie Riedel Erwin und Janiak Christoph De Gruyter Berlin 2011

Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff Ve

- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede

In einer Pipette wird rotes Eisenoxid erhitzt und ein Wasserstoff strom daruumlbergeleitet Der Wasserstoff wird in einem regulierbaren Minigasentwickler hergestellt Als Ruumlckschlagsiche-rung dient ein kleiner Stahlwollpropfen in der Pipette Der Versuch ist als Schuumllerversuch ge-eignet

Hintergrund

Die Reduktion mit Wasserstoff ist ein Grundversuch Die Reduktion von rotem Eisenoxid zu fein verteiltem schwarzem Eisen laumlsst sich nicht nur an der Farbe sondern auch durch die magnetischen Eigenschaften des Eisens erkennen

Gefahren

Signalwort Gefahr

Schutzbrille tragen Wasserstoff wird nur in kleinen Mengen hergestellt so dass auf eine Knallgasprobe ver-zichtet werden kann Zink (die entstehenden) Zinksalze und Kupfersulfat sind als Schwermetall-Salze sehr giftig fuumlr Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung daher nicht ins Abwasser entsorgen

Chemikalien

bull Zink-Granalien H 410bull Schwefelsaumlure 1 molar nach GHS keine Einstufungbull Kupfersulfatloumlsung 1 molar H 302 H 319 H 315 H 410bull Eisen (III)-oxid

Materialien

bull Kipp-Kuumlvette als Wasserstoff gasentwickler (Bezugsquelle Hedinger)

bull Gummistopfen mit eine Bohrung dazu passender Zweiwegehahnbull Pasteurpipette aus Glas mit passendem Schlauchstuumlck bull Mikrospatel Metalldraht zum Einschieben der Ruumlckschlagsicherungbull Stahlwolle 000 fuumlr die Ruumlckschlagsicherung bull Bunsenbrenner

Vorbereitung der Kippkuumlvette

Zinkgranalien werden durch die seitliche Oumlff nung in den mittleren Hohlraum (Reaktionsraum) eingefuumlllt Schwefelsaumlure (zur Beschleunigung der Reaktion mit wenig Kupfersulfatloumlsung versetzt) wird durch die obere Oumlff nung eingefuumlllt so dass die Zinkgranalien bedeckt sind Jetzt kann der Stopfen mit dem Zweiwe-gehahn in die seitliche Oumlff nung hineingesteckt werden (Abb 1) Ist der Hahn geschlossen wird die Fluumlssig-keit in den oberen Vorratsbehaumllter zuruumlckgedraumlngt

Reduktion von Eisenoxid mit WasserstoffVe

Vorbereitung der Pipette und Versuchsdurchfuumlhrung

Ein kleiner Stahlwollepfropfen wird mit einem Metalldraht in die Glaspipette eingeschoben dann das Eisen-oxid eingefuumlllt (Abb 1) Die Pipette wird jetzt uumlber das Schlauchstuumlck mit dem Zweiwegehahn verbunden

Der Zweiwegehahn wird geoumlffnet so dass die Schwefelsaumlure in den Reaktionsraum zuruumlckflieszligt Wenn eine kraumlftige Gasentwicklung eingesetzt hat wird das Eisenoxid bis zum Farbumschlag nach schwarz erhitzt (Abb 1)

Kippkuumlvette mit Zink und Schwefelsaumlure

EisenoxidStahlwolle-sicherung

Nach dem Schlieszligen des Zweiwegehahns wird der Brenner abgestellt und die magnetischen Eigenschaften des Reaktionsproduktes getestet

Versuchsergebnis

Die rote Eisenoxid wird zu einem schwarzen Pulver das magnetisch ist

Erklaumlrung

Aus Zink und Schwefelsaumlure wird Wasserstoff in einer exothermen Reaktion entwickelt

Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2

Wasserstoff reduziert das Eisenoxid zu Eisen in einer endothermen Reaktion

Fe2O3 + 3 H2 2Fe + 3 H2O

Entsorgung

Kippkuumlvette mit Fuumlllung kann wiederverwendet werden Sonst Entsorgung der Lsg im Schwermetallabfall

Literatur

httpmattsoncreightoneduPipetteRxnindexhtml

Prinzip der Wasserstoffentwicklungszelle

Die Wasserstoffentwicklungszelle ist eine Batterie bestehend aus einer Zinkelektrode

als Anode und einer Raney-Nickel-Elektrode in Lauge als Kathode Werden beide

Elektroden uumlber ein Kabel oder einen Widerstand als Verbraucher kurzgeschlossen

beginnt ein entsprechender Strom zu flieszligen und an der Kathode entsteht

proportional zu diesem Strom Wasserstoff

Versuchsaufbau

Gefahren

Signalwort Gefahr

Schutzbrille und Schutzhandschuhe sowie Kittel tragen 1 moll Kalilauge bzw 1 moll

Natronlauge verursacht schwere Veraumltzungen der Haut und schwere Augenschaumlden

Die Zinkpaste ist den oumlrtlichen Vorschriften entsprechend zu entsorgen

Chemikalien

1 M Kalilauge oder 1 M Natronlauge

Zinkpaste (Zinkpulver in Wasser aufgeschlaumlmmt) Materialien

Zinkdraht

Platindraht oder Nickelnetz alternativ Raney-Nickelelektrode (Gaskatel)

Kabel mit 2 Krokodilklemmen

Gegebenenfalls einen Widerstand oder Widerstandsdekade und Mulitmeter zur Strommessung

Durch eine Fritte zweigeteilte Glaszelle oder 2 Becherglaumlser und eine Salzbruumlcke

Zinkdraht

Zinkpaste Kalilauge

Nickelelektrode

Wasserstoff

Versuch In eine Haumllfte des Gefaumlszliges wird die Zinkpaste eingefuumlllt und der Zinkdraht eingetaucht In die andere Haumllfte wird Lauge eingefuumlllt und je nach Verfuumlgbarkeit ein Platindraht ein Nickelnetz oder die Raney-Nickel-Elektrode eingetaucht Beide Halbzellen koumlnnen direkt uumlber Krokodilklemmen und ein Kabel kurzgeschlossen oder aber uumlber einen Widerstand miteinander verbunden werden An dem PlatindrahtNickelnetzRaney-Nickel-Elektrode setzt eine Gasentwicklung ein Erklaumlrung Zink ist unedler als Wasserstoff Daher wird Zink oxidiert Im Gegenzug werden an der Kathode die Hydroxidionen zu Wasserstoff reduziert Anmerkung Aus dem gemessenen Strom kann die erzeugte Wasserstoffmenge errechnet werden Gemessene Potentiale sind verfaumllscht aufgrund des Sauerstoffs der zugegen ist Literatur z B Patent EP 2692903 A1

Weitere Informationen zu HydroFlex finden Sie auf unseren Websites wwwreference-electrodede wwwgaskatelde

Aktivierung von HydroFlex

Entfernen Sie als erstes die Schutzhuumllse der Gasdiffusionselektrode

Stellen Sie mit dem Sechskantschluumlssel (3 mm) die Einstellscheibe zwischen 0 und 1 ein

Stellen Sie die HydroFlexreg in ein mit Wasser gefuumllltes Gefaumlszlig Nach 60 Minuten koumlnnen Sie den Wasserstoff durch die Gasdiffusionselektrode perlen sehen ca 5 ml h

Jetzt stellen Sie mit dem Sechskantschluumlssel die gewuumlnschte Laufzeit zwischen 1 und 12 Monate ein Fuumlr einen sparsamen Verbrauch waumlhlen Sie die Stellung 6

Zur Sicherheit stellen Sie die HydroFlexreg erneut fuumlr 24 Stunden in ein mit Wasser gefuumllltes Gefaumlszlig Danach ist die HydroFlexreg einsatzbereit Bitte veraumlndern Sie die Laufzeiteinstellung nicht mehr HydroFlex muss waumlhrend dieser Zeit in einem Gefaumlszlig mit Elektrolyt z B 1molare Schwefelsaumlure oder Salzsaumlure

aufbewahrt werden

WICHTIG Notieren Sie das Aktivierungsdatum auf dem Aufkleber

Hydroflex

Verschiedene Halbzellen werden gegen eine Nomalwasserstoff elektrode als Bezugselektrode gemessen Da unter Schulbedingungen selten die Standardbedingungen eingehalten werden erhaumllt man naumlherungsweise die Standardpotentiale die direkt miteinander vergleichbar sind und zB fuumlr die Ermittlung der Potentialdiff erenz einer galvanischen Zelle genutzt werden koumlnnen

Hintergrund

Die Besonderheit des Versuches liegt im einfachen Handling der eingesetzten Normalwasserstoff elektrodeDie meisten im Lehrmittelhandel kaumlufl ichen Elektroden sind fuumlr den Einsatz in der Schule untauglich (Pla-tinierung und Wasserstoff aus der Gasfl asche noumltig) Hier wird die HydroFlexreg-Elektrode der Firma Gaskatelverwendet Diese besitzt einen internen Wasserstoff generator der mit einer Gasdiff usionselektrode kombi-niert ist Nach etwa 12 Jahr ist der Generator erschoumlpft und muss gewechselt werden

Die ausgewaumlhlten Metalle ermoumlglichen eine genaue Messung der Halbzellenpotentiale Zinnchlorid loumlst sich nicht vollstaumlndig sondern bildet einen weiszligen Niederschlag Es handelt sich dabei um basisches Zinn-chlorid Dieses nimmt aber keinen Einfl uss auf das gemessene Potential [1 Seite 128]

Nicht in die Messung aufgenommen wurde Magnesium da hier aufgrund der Nebenreaktion mit Wasser das Potential weniger negativ ist als der Literaturwert Eisen liefert ebenso ungenaue Werte Nickel und Blei werden aufgrund ihrer cancerogener bzw toxischer Eigenschaften nicht verwendet

Gefahren

Signalwort Gefahr

Kupfer- Zinn-und Zink-Salze verursachen schwere Augenreizungen und sind gesundheitsschaumldlich beim Verschlucken Silbersalze verursachen schwere Haut- und Augenschaumlden Zinnsalze koumlnnen allergische Hautreaktionen verursachen Schwermetall-Salze sind sehr giftig fuumlr Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung daher nicht ins Abwasser entsorgen Nitrate sind brandfoumlrdernd

Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)

Schutzbrille Handschuhe und Mundschutz tragen BEI KONTAKT MIT DER HAUT Mit viel Wasser und Seife waschen BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spuumllen Vorhandene Kontaktlinsen nach Moumlglichkeit entfernen Weiter spuumllen BEI EXPOSITION oder Unwohlsein Sofort GIFTIN-FORMATIONS-ZENTRUM oder Arzt anrufen

Chemikalien

bull Silbernitratloumlsung 1 molar H 272 H 314 H 410 bull Kupfersulfatloumlsung 1 molar H 302 H 319 H 315 H 410 bull Zinn-II-chloridloumlsung 1 molar H 302 H 315 H 317 H 319 H 335bull Zinksulfatloumlsung 1 molar H 302 H 318 H 410bull Kaliumnitratloumlsung H 272bull Salzsaumlure 1 molar nach GHS keine Einstufung

Materialien

bull 2 Becherglaumlser 100 ml breite Form oder Glastroumlge zum Aufbau der Halbzellenbull Silber- Kupfer- und Zinkelektroden (Plattenelektroden) mit Buchsebull Zinnspan oder Zinnfi gur mit Krokodilklemmebull Stromschluumlssel mit Stopfenbull HydroFlexreg-Elektrode (muss aktiviert werden Bedienungsanleitung beachten)

bull Messleitungenbull Messgeraumlt fuumlr Spannung z B Demo-Voltmeter alternativ Messwerterfassungssystem

Versuchsaufbau

Exemplarisch ist der Versuchsaufbau mit einer CuCu2+-Halbzelle dargestellt Zur Messung der Standardpo-tentiale kann ein analoges Demonstrationsmultimeter oder ein Messwerterfassungssystem verwendetwer-den

NormalwasserstoelektrodeHydroexreg

HCl(aq)1 moll

CuCu2+ - Halbzelle

H22 H2+ - Halbzelle

Stromschluumlssel

KNO3(aq)Cu-Elektrode

CuSO4(aq)1 moll

Die Verwendung von Halbzellen in getrennten Gefaumlszligen mit Stromschluumlssel ermoumlglicht den schnellen Wech-sel zwischen den zu messenden Redoxsystemen

Versuchsergebnis

CuCu2+

ZnZn2+

Δ V = 046 V

Δ V = 111V

Δ V = 156V

SnSn2+

Δ V = 094V

Δ V = 048 V

Δ V = 062V

Wird gegen die Zink- bzw Zinn-Halbzelle gemessen sind die beiden Metalle das unedlere System Zinn bzw Zink gehen in Loumlsung Wird gegen die Kupfer- bzw Silber-Halbzelle gemessen geht Wasserstoff als uned-leres System in Loumlsung Dies laumlsst sich bei einem analogen Messgeraumlt an der unterschiedlichen Richtung des Zeigerausschlags erkennen Wird mit einem Messwerterfassungssystem gearbeitet erhaumllt man positive oder negative Werte fuumlr die Spannungsanzeige

Die EMK die eine galvanische Zelle aus der Kombination zweier Halbzellen liefert laumlsst sich grafisch sofortablesen

Erklaumlrung

Zwischen Halbzellen kann man nur Potentialdifferenzen messen Daher braucht man eine Bezugselektrode dazu dient die Normal-Wasserstoffelektrode Dies ist normalerweise ein Platinblech das von Wasserstoffgas umspuumllt wird und in eine Saumlureloumlsung mit der Konzentration c (H3O+) = 1 moll taucht (bei 1013 hPa und 25 degC nach Lit 2) Das Potential dieser Elektrode wurde 1912 auf 000 V festgelegt

H2 + 2 H2O 2 H3O+ + 2 emacr E0 = 000 V

Die HydroFlexreg-Elektrode erlaubt jetzt auch Messungen der Standardpotentiale in der Schule ohne groszligen

Aufwand ein interner Wasserstoff generator ersetzt die Wasserstoff fl asche Eine Platinierung ist nicht mehr noumltig Der in der H2-Cartridge erzeugte Wasserstoff gelangt durch einen Kanal zu der Gasdiff usionselektro-de Diese wird dann in den Elektrolyten getaucht wobei dieser sich zT mit Wasserstoff und mit Elektrolyt fuumlllt (nach Lit 3) Allerdings kann man die Wasserstoff blaumlschen nur sehen wenn man die Elektrode aktiviert Danach wird die Elektrode auf eine schwaumlchere Wasserstoff entwicklung und damit laumlngere Nutzbarkeit eingestellt Die Bedienungsanleitung ist im Internet verfuumlgbar (Lit 3)

Bezugsquelle

Die HydroFlexreg- Elektrode erhaumllt man bei der Gaskatel GmbH Hollaumlndische Straszlige 195 Gebaumlude M 11 D - 34127 Kassel Tel +49 (0)561 5 91 90 wwwgaskatelde

Eine HydroFlexreg-Elektrode kostet 15900 euro eine Ersatz-Cartridge 1320 euro (jeweils plus MwSt) Es gibt einen Online-Shop unter shopgaskatelde

Entsorgung

Loumlsungen wieder in die Vorratsfl aschen zuruumlckschuumltten sie koumlnnen mehrmals verwendet werden

Literatur

(1) Handbuch der Experimentellen Chemie Sekundarbereich II Band 5 Elektrochemie Gloumlckler Wolf gang und Jansen Walter und Bade Hans Joachim und Weissenhorn Rudolf Georg Aulis Verlag Deubner Koumlln 1994(2) Beck W (Hrsg) et al Chemie 3 Oldenburg Muumlnchen 1996 (3) httpgaskatelorgdedownloads20120211_Manual_Hydrofl ex_depdf

H2-Cartridge

Kontaktbuchse

PTFE-Rohr Oslash 8 mm

Pd - Kontaktdraht

Gasdiff usionselektrode

Bildmaterial copy Gaskatel nach Lit 2

Redoxpotential und Konzentration Ve

Es wird eine Kupferhalbzelle aufgebaut und das Potential gegen eine Normalwassersto elek-trode gemessen Nun wird konz Ammoniakloumlsung zugetropft und das Potential mit einem Messwerterfassungssystem verfolgt Das Potential sinkt bis in den negativen Bereich ab

Hintergrund

Mit der HydroFlexreg-Elektrode (Lit 2) lassen sich auch laumlngere Messungen problemlos durchfuumlhren Dies ist zB mit Platin-Elektroden die durch Elektrolyse mit Wasserstoff beladen werden nicht moumlglich So kann sehr anschaulich die Konzentrationsabhaumlngigkeit des Potentials aufgezeigt werden

Gefahren

Signalwort Gefahr

Schutzbrille tragen Kupfersalze verursachen schwere Augenreizungen und sind gesundheitsschaumldlich beim Verschlucken Als Schwermetall-Salze sind sie sehr giftig fuumlr Wasserorganismen mit langfristiger Wir-kung daher nicht ins Abwasser entsorgenKonz Ammoniak verursacht schwere Veraumltzungen der Haut und Augen und kann die Atemwege reizen Ammoniak ist sehr giftig fuumlr Wasserorganismen Nitrate sind brandfoumlrdernd Die Wassersto mengen der HydroFlexreg-Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wassersto entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)

Chemikalien

bull Kupfersulfatloumlsung 01 molar H 302 H 319 H 315 H 410bull Ammoniakloumlsung 25bull Kaliumnitratloumlsung H 272bull Schwefelsaumlure 1 molar nach GHS keine Einstufung

Materialien

bull 2 Becherglaumlser 100 ml breite Form oder Glastroumlge zum Aufbau der Halbzellenbull Kupferelektrode (Plattenelektrode) mit Buchsebull Magnetruumlhrerbull Tropftrichter mit Druckausgleich 100 ml mit Stativmaterialbull Laborboy (Hebebuumlhne)bull Stromschluumlssel mit Stopfenbull HydroFlexreg-Elektrode (muss aktiviert werden Bedienungsanleitung beachten)

bull Messleitungenbull Messwerterfassungssystem zB Sensor-CASSY mit CASSY-LAB 2

Versuchsaufbau

Der Versuch wird wie bei der Messung der Halbzellenpotentiale aufgebaut Damit nicht so viel Ammoniak zugetropft werden muss geht man von einer 01 moll Kupfersulfatloumlsung aus Ammoniak langsam zutrop-fen und mit dem Magnetruumlhrer ruumlhren So lange zutropfen bis sich das Potential nicht mehr aumlndert

H2SO4(aq)1 moll

CuCu2+ - Halbzelle

H22 H2+ - Halbzelle

Stromschluumlssel

Ammoniak 25

Magnetruumlhrer

Versuchsergebnis

Die Loumlsung wird tiefblau Die Spannung wird immer geringer bis sie sogar leicht negativ wird

Erklaumlrung

Durch die Zugabe von konz Ammoniak-Loumlsung bildet sich der tiefblau gefaumlrbte Kupfertetraamin-Komplex

[Cu(H2O)4]2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4]2+ + 4 H2O

Das Gleichgewicht liegt stark auf der rechten Seite Dadurch wird die Konzentration der freien Kupfer-Ionen stark herabgesetzt

Uumlber die Nernstsche Gleichung laumlsst sich der Ein uss der Konzentration auf das Potential berechnen (Lit 1)

Entsorgung

Loumlsungen wieder in den Abfallbehaumllter fuumlr Schwermetalle saure und alkalische Abfaumllle geben

Literatur

(1) Beck W (Hrsg) et al Chemie 3 Oldenburg Muumlnchen 1996 (2) httpgaskatelorgdedownloads20120211_Manual_Hydro ex_depdf

pH-Messung durch Konzentrationszellen

Zwei Halbzellen die sich nur durch ihre Konzentration unterscheiden werden als Konzen-trationszellen bezeichnet Diese liefern nur eine geringe Spannung die vom Konzentrations-verhaumlltnis und der Zahl der pro Redoxsystem ausgetauschten Elektronen abhaumlngig ist Bei Aumlnderung der Konzentration um eine Zehnerpotenz aumlndert sich bei einer Wasserstoff -Konzen-trationszelle das Potential um 0059 V

Mit zwei Hydrofl ex-Elektroden muumlsste eine pH-Wert-Messung moumlglich sein Die tatsaumlchlich gemessenen Werte weichen von den berechneten Werten allerdings ab

Hintergrund

Die Wasserstoff elektrode der Firma Gaskatel die HydroFlexreg-Elektrode (Lit 1) laumlsst sich im Schulbetrieb ein-fach handhaben Damit soll ein Modellversuch aufgebaut werden der zeigt wie man den pH-Wert messen kann

Gefahren

Signalwort - - -

Chemikalien

bull Salzsaumlure 1 moll 01 moll 001 moll 0001 moll nach GHS ohne Einstufung bull Kaliumchloridloumlsung

Materialien

bull 2 Becherglaumlser 100 ml breite Form oder Glastroumlge zum Aufbau der Halbzellenbull 2 HydroFlexreg-Elektrodenbull Stromschluumlssel mit Stopfenbull Messwerterfassungssystem z B CASSY-Lab mit Pocket-CASSY und UIP-Sensor S

Entsorgung

Die Loumlsungen koumlnnen ins Abwasser entsorgt werden

Versuchsaufbau

WasserstoelektrodeHydroexreg

c1 (HCl) = 1 moll

c2 (HCl) = 1 moll

c2 (HCl) = 01 moll

c2 (HCl) = 001 moll

c2 (HCl) = 0001 moll

Stromschluumlssel

KCl(aq)

Versuchsergebnis

Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab

Erklaumlrung (nach Lit 2 und 3)

Fuumlr eine bessere Uumlbersicht werden in einer Tabelle noch einmal die Konzentrationen der Halbzellen und die berechnete Potentialdifferenz dargestellt

Nr c1 [moll] pH1 (Donator) c2 [moll] pH2 (Akezptor) U [V] berechnet

1 1 0 1 0 02 1 0 01 1 - 00593 1 0 001 2 - 11184 1 0 0001 3 - 1177

Wie wird die Potentialdifferenz berechnet

Wie in jedem Redoxsystem liegt ein Gleichgewicht vor hier zwischen Wasserstoffmolekuumllen welche die Elektrode umspuumllen und den Wasserstoffionen (Oxoniumionen) in der Loumlsung Man spricht vom Loumlsungs-druck das Gleichgewicht liegt allerdings stark auf der linken Seite

2 H+(aq) + 2 e-H2(g)

Liegen unterschiedliche Wasserstoffionenkonzentrationen in den Halbzellen vor ist das System bestrebt die Konzentrationen auszugleichen In der Halbzelle mit der houmlheren Konzentration werden sich daher Was-serstoffmolekuumlle abscheiden (Pluspol Kathode) in der Halbzelle mit der verduumlnnteren Loumlsung werden Was-serstoffmolekuumlle in Loumlsung gehen (Minuspol Anode) Dadurch flieszligt ein Strom von der verduumlnnteren zur konzentrierteren Halbzelle solange bis sich die Konzentrationen angeglichen haben

Offensichtlich ist die gemessene Spannung vom Konzentrationsverhaumlltnis der Halbzellen zueinander ab-haumlngig Die Konzentationsabhaumlngigkeit einer Halbzelle wird durch die Nernstsche Gleichung beschrieben

Fuumlr das beliebige Redoxsystem

Red Oxz+ + z∙e-

gilt die Nernstsche Gleichung

E = E0 + 0059 Vn

c(Ox)c(Red)middot lg

Feststoffe bzw Gase werden in ihrer Konzentration als konstant angesehen in der Wasserstoffhalbzelle ver-einfacht sich die Gleichung auf

E = E0 + 0059 V middot lg c (H+)

Fuumlr die Berechnung der Potentialdifferenz der beiden Wasserstoffhalbzellen gilt

∆ E = EDonator-Halbzelle - EAkzeptor-Halbzelle

Fuumlr die Donator -Halbzelle c1 = 1 moll (hier findet die Reduktion = Kathode statt) und die Akzeptor-Halb-zelle c2 = 0 1 moll (hier findet die Oxidation = Anode statt) ergibt sich folgende Potentialdifferenz

∆E = [E0(HH+) + 0059 V ∙ lg c2 (H+)] - [E0(HH+) + 0059 V ∙ lg c1(H+)]

E0 kuumlrzt sich heraus und die Gleichung vereinfacht sich auf

∆E = 0059V ∙[ lg c2 (H+) - lg c1(H+)]

∆ E = 0059 V lg c2 (H+)c1 (H+)

∆ E = 0059 V lg c2 (H+)

∆ E = 0059 V (-pH2)

Warum weichen die in der Realitaumlt gemessenen Potentiale von den berechneten Potentialen ab

Der Hauptgrund liegt in den Diffusionspotentialen die bei der theoretischen Berechnung nicht beruumlck-sichtigt werden Je nach Stromschluumlssel oder Elektrolyt erhaumllt man andere Diffusionspotentiale welche die erwarteten Werte verfaumllschen

Daneben spielen Ungenauigkeiten bei der Herstellung der Salzsaumlureloumlsungen bzw die Temperatur eine untergeordnete Rolle

AusblickDer Versuch zeigt ein moumlgliches Ziel wie in Zukunft pH-Werte ohne eine empfindliche alternde und da-durch traumlge Glaselektrode gemessen werden koumlnnen

Bereits zur Marktreife entwickelt ist eine pH-Elektrode der Firma Gaskatel Kassel bei der neben einer Silber-Silberchloridelektrode eine Wasserstoffelektrode eingesetzt wird Sie ist unter dem Namen pHydrunio er-haumlltlich (Lit 4)

Literatur

(1) httpgaskatelorgdedownloads20120211_Manual_Hydroflex_depdf(2) Beck W (Hrsg) et al Chemie 3 Oldenburg Muumlnchen 1996 (3) Fischer W H Deiszligenberger C3 Stoffe - Reaktionen - Energie Buchner Bamberg 1988(4) httpwwwgaskateldedeproduktephydruniophydrunio_indexhtml

Endlich eine praxistaugliche

Wasserstoffelektrode

12042014 Kassel

Entstehung von Potentialen - Selbstverkupferung

Normgerechte Potentialmessung

HydroFlex ndash die einfache Loumlsung

Potentiale messen

Wasserstoff-pH-Elektrode

Denise Boumlhm

Praktische Umsetzungen

Versuche

Messung von Standardpotentialen

Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen

pH-Messungen

Entstehung von Potentialen

Selbst-Verkupferung von Eisen in einer Kupfersulfatloumlsung

Oxidation Fe Fe2+ + 2e-

Reduktion Cu2+ + 2e- Cu

Normgerechte Potenzialmessung

Wasserstoffreferenzelektrode

Per Definition ist das Potenzial 0 Volt bei allen Temperaturen

Tabellenwerke geben Potenziale bezogen auf SHE an

Direkter Vergleich Messwerte mit Literatur

SHE ndash Standard-Wasserstoff-Elektrode

Aktivitaumlt Saumlure a(H3O+) = 1 molL

(z B Salzsaumlure c = 118 molL)

P(H2) = 1000 bar = 100 kPa

T = 29815 K

NHE ndash Normal-Wasserstoff-Elektrode

Konzentration Saumlure c(H3O+) = 1 molL

P(H2) = 1013 bar = 1013 kPa

T = 29815 K

NHESHE in der Praxis

Kernstuumlck ist platiniertes Platinblech welches vor jeder

Messreihe neu zu platinieren ist

-Chemische Reinigung des Bleches in Koumlnigswasser und konz HNO3

-Elektrochemische Reinigung in 01 M HNO3

-Platinierung

-Zeitaufwaumlndig

-Blech muss mit Wasserstoffumspuumllt werden Druckflasche

Platinelektrode Gasroumlhrchen 2 Glashalbzellen Phywe Systeme GmbH amp Co KG Goumlttingen

Alternative Wasserstofferzeugung

Chemie in der Petrischale

Wasserstoff durch Elektrolyse

Quelle Endlich eine funktionierende Wasserstoffelektrode

Vortrag von Martin Schwab Pelham 2012

httpwwwfachreferent-chemiede

Kipp-Kuumlvette

Wasserstoff durch Chemie

Kipp-Kuumlvette Leihgabe von

Martin Schwab

HydroFlex ndashDIE Wasserstoffelektrode im Stiftformat

bull stabiles Wasserstoffpotential

bull interne Wasserstoffversorgung liefert H2 fuumlr 6 Monate

bull arbeitet OHNE Innenelektrolyten

bull keine Verunreinigung der Messloumlsung durch Fremdionen

HydroFlex ndash Aufbau

2 mm Buchse

(vergoldetes Messing)

H+-sensitive Element

Platinnetz mit Palladium

(in Kunststoffhuumllse)

Plexiglaskopf

PTFE-Rohr

Wasserstoff-

entwicklungszelle

Palladiumdraht

(Kontaktierung Buchse mit

Elektrode)

Wasserstoffpotential

HydroFlex ndash Betriebsbereit

Vor den Messungen das Potential gegen

eine AgAgCl3 M KCl-Elektrode

uumlberpruumlfen

In 1 molL HCl 207 mV 25degC

HydroFlex muss 24 h vor

den Messungen aktiviert

werden

Potenziale messen leicht gemacht

pHydrunio ndash Hydroflex trifft AgAgClKCl

Praktische Umsetzung

Lehrplan

Einordnung der Wasserstoffelektrode in den Lehrplan

Gymnasiale Oberstufe Bereich bdquoElektrochemieldquo

Beispiel Bundesland Hessen

Sekundarstufe I

8G3 bzw 93 Salze Elektrolyse und Ionenbegriff

Sekundarstufe II

E1 bzw 111 Redoxreaktionen

Q4 LK bzw 132 LK Wahlthema Elektrochemie ()

Zielsetzung

Entwicklung fuumlr den Chemieunterricht (CU) geeigneter Versuche mit

der Wasserstoffelektrode Hydroflex

Konzentrationszellen rarr pH-Messungen

Cassy-System der Firma LD Didactic GmbH

Messgeraumlt Sensor-Cassy 2 bzw Pocket-Cassy

Software Cassy Lab 2

Weitere Informationen

http wwwld-didacticde oder hier vor Ort

Messwerterfassungssystem

Sensor-CASSY 2

Pocket-CASSY

Versuche

Versuchsaufbau

Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von

CuCu2+

ZnZn2+

SnSn2+

gegen die Wasserstoffelektrode Hydroflex

Ergebnisse

exp AgAg+ 08V

theor AgAg+ 08V

exp CuCu2+ 034V

theor CuCu2+ 034V

exp SnSn2+ -014V

theor SnSn2+ -014V

exp ZnZn2+ -074V

theor ZnZn2+ -076V

exp LiLi+ -319V

theor LiLi+ -305V

-45 -35 -25 -15 -05 05 15 25 35 45

Edeg in [V]

Standardpotentiale Edeg theoretisch vs experimentell

Konzentrationsabhaumlngigkeit

von Potentialen

Versuchsaufbau

Bildung eines Tetraaminkupfer(II)-Komplexes [Cu(NH3)4] 2+

Potentialaumlnderung bis hin zu negativen Werten

Nernstlsquosche Gleichung

Versuchsdurchfuumlhrung

mit Hilfe des Cassy-Systems

vereinfachter Freihand-Versuch

Achtung 25 Ammoniak

von Potentialen

Ergebnisse

Edeg(CuCu2+)=034V

Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen

und [Cu(NH3)4] 2+

pH-Messungen

Versuchsaufbau

pH-Messungen

Theorie

c1 in moll pH1 c2 in moll pH2 in Volt

1 0 1 0 0

1 0 01 1 -0059

1 0 001 2 -0118

1 0 0001 3 -0177

Ergebnisse

Praxis

theoretische Werte nicht exakt messbar

Einfluss aumluszligerer Faktoren zB

Ungenauigkeiten bei der HCl-Konzentration

Diffusionspotentiale an Phasengrenzen

Langsames Ansprechverhalten der Hydroflex

Ausblick pH-Elektrode basierend auf zwei Hydroflex -gt Gaskatel

Bezugsquellen

[1] Hydroflex und pHydrunio Gaskatel GmbH httpwwwgaskatelde

[2] Cassy-System LD Didactic GmbH httpwwwld-didacticde

[3] Versuchsbeschreibungen Schwab M Fachreferent fuumlr Chemie in

Unterfranken httpwwwfachreferent-chemiede

Vielen Dank fuumlr Ihre

Aufmerksamkeit

HydroFlexreg

Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel

Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde

Produktsteckbrief

Wasserstoff-Referenzelektrode

Messqualitaumlt

Fuumlr alle Wasserstoff-Referenzsysteme einsetzbar (RHENHESHE)

Fuumlr die pH Bereiche -2 bis 16 geeignet

Kein Umrechnen der Potentiale

Kein stoumlrendes Fremdmaterial

Temperatureinsatzbereich -30 bis 200degC

Produktqualitaumlt

Wartungsfrei fuumlr 6 ndash 12 Monate ndash durch austauschbare Wasserstoffquelle

Fuumlr Dauermessungen geeignet

Kein Innenelektrolyt ndash also kein Nachfuumlllen

Platin- Gasdiffusionselektrode statt zB Keramik-Diaphragma

Abmessungen 12 cm Laumlnge 8 mm Durchmesser

austauschbare

Wasserstoffquelle

Platin- Gasdiffusions- elektrode

Wasserstoffreferenz Elektrode HydroFlexreg

SilberSilberchlorid Elektrode (zum Vergleich)

Keramik-

Diaphragma

HydroFlexreg

als SHE oder NHE

als RHE

Elektrolytschluumlssel

Fuumlr SHE

Aktivitaumlt H+ 1 moll

Druck 1013 mbar

Fuumlr NHE

Konzentration H+ 1 moll

Druck atmosphaumlrisch

Arbeits-

elektrode

Haber-

Luggin-

Kapillare

01_Unterlagen_zum_Workshop

02_Chemie in der Petrischale

03_ReduktionmitWasserstoff

04_PrinzipWasserstoffentwicklungszelle

05_Aktivierung

06_Standardpotential_Ag_Cu_Sn_Zn

07_KonzentrationsabhaumlngigkeitPotentiale

08_Konzentrationszelle_pH_Messung

09_Vortrag_MNU_Kassel

10_HydroFlex_Produktsteckbrief