Versuch 4: Faradaysche Gesetze - Coulometer

Nico Meuter

Denise Lange

Ziel des Versuches

• Überprüfung der Faradayschen Gesetze

• Ermittelung der Faraday-Konstante F mittels eines Kupfercoulometers.

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“

Elektrolyse

Elektrolyse

Elektrolyse

• eine durch elektrischen Strom erzwungene Redoxreaktion.

Elektrolyse

• eine durch elektrischen Strom erzwungene Redoxreaktion.

• Oxidation und Reduktion laufen voneinander räumlich getrennt ab.

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).

Elektrolysegleichungen

• Kathode:

2e-+ Cu2+ ↔ Cu (s) (Reduktion)

Elektrolysegleichungen

• Kathode:

2e-+ Cu2+ ↔ Cu (s) (Reduktion)

● Anode :

2 SO42- ↔ S2O8

2- + 2e-

2 H2O ↔ O2 + 4 H+ + 4e-

Cu (s) ↔ Cu2+ + 2e- (Oxidation)

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).

1. Faradaysches Gesetz

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

1. Faradaysches Gesetz

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

• m ~ Q

1. Faradaysches Gesetz

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

• m ~ Q

• m ~ I * t

Elektrizitätsmenge Q [Coulomb (C)]

1 Coulomb bezeichnet die Menge an Strom, die bei Stromstärke von 1 Ampereinnerhalb 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

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 DefinitionIm 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.

2. Faradaysches Gesetz

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

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)

2. Faradaysches Gesetz

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

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.

Beziehung zwischen 1. und 2. Faradayschen Gesetz

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

Beziehung zwischen 1. und 2. Faradayschen Gesetz

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

I • t • M

m = ——————

ne • FI = Stromstärke t = Zeitdauer des Stromflusses

M = Molmasse ne = elektrochemische Wertigkeit

F = Faraday Konstante

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.

Verbindung zur Thermodynamik

• G = -n • F • E0

G : Änderung der freien Enthalpie

(Anteil der Wärme, der in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann).

G < 0 freiwillig

G > 0 nicht freiwillig

Ermittlung der Faradaykonstante

I • t • M

m = ——————

ne • F

Ermittlung der Faradaykonstante

I • t • M

m = ——————

ne • F

I • t • M Q • M

F = —————— = —————

m • z m • z

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.

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.

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.

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

b) Masseänderung in Abhängigkeit der Zeit

• Konstante Stromstärke (I ~ 1,2 A)

• Unterschiedliche Elektrolysedauer– ~ 300 s– ~ 600 s– ~ 900 s– ~ 1200 s– ~ 1500 s

Diagramm a)Masseänderung in Abhängigkeit der Stromstärke

(t = 600 s)

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Stromstärke in Ampere

Diagramm b)Masseänderung in Abhängigkeit der Zeit (I = 1,25 A)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Zeit in Sekunden

Ma

ss

eä

nd

eru

ng

in

Gra

mm

Auswertung

• Ermittelung der Geradengleichung mit der Form:

y = ax + b

Auswertung

• Ermittelung der Geradengleichung mit der Form:

y = ax + b

• Für die Steigung a ergibt sich im Versuchsteil a) folgende Formel:

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

Auswertung

• umgestellt nach F ergibt sich:

t • M

F = ————

a • z

Auswertung

• umgestellt nach F ergibt sich: t • MF = ———— a • z● für Versuchsteil b): I • M I • Ma = ———— F = ———— z • F z • a

Beispiel

t = 600s M(Cu) = 63,546 g/molz = 2 a = 0,19678

600 • 63,546F = ——————— C/mol

2 • 0,19678

= 96878,84 C/mol

Anwendung + Funktion der Faradayschen Gesetze

• Dient als Stütze der Atomtheorie, da:

m ~ Q müssen während der Elektrolyse Stoffe in kleinsten Portionen umgesetzt werden.

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

Anwendung + Funktion der Faradayschen Gesetze

• Für die Bestimmung relativer Molmassen M und Ladungszahlen z.

I • t • M Q • M

F = —————— = —————

m • z m • z

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 • ρ • F = z • A • ρ • F

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