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
wird
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
Experimente zum Selbermachen - Arbeitsblatt
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
1 c
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
rsuc
h
- 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
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Abb 1
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
wird
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
Experimente zum Selbermachen - Arbeitsblatt
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
1 c
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
rsuc
h
- 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
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Abb 1
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
Experimente zum Selbermachen - Arbeitsblatt
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
1 c
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
rsuc
h
- 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
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Abb 1
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
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Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
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Vers
uch
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
rsuc
h
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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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
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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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Experimente zum Selbermachen - Arbeitsblatt
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
1 c
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
rsuc
h
- 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
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Abb 1
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
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Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
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Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
1 c
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
rsuc
h
- 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
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Abb 1
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
rsuc
h
- 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
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Abb 1
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
rsuc
h
- 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
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Abb 1
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
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Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff Ve
rsuc
h
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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
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Abb 1
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Reduktion von Eisenoxid mit WasserstoffVe
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Abb 1
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
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Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
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Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
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Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
0
3
6
9
121
1h
0
36
9
12
1
24h
Hydroflex
Datum
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Messung der Standardpotentiale
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Messung der Standardpotentiale
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
V
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Messung der Standardpotentiale
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsergebnis
AgAg+
CuCu2+
ZnZn2+
Span
nung
[Vol
t]
AgCu
Δ V = 046 V
CuZn
Δ V = 111V
AgZn
Δ V = 156V
080V
034V
-076V
SnSn2+
-014V
AgSn
Δ V = 094V
CuSn
Δ V = 048 V
SnZn
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Messung der Standardpotentiale
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Redoxpotential und Konzentration Ve
rsuc
h
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
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
NormalwasserstoelektrodeHydroexreg
V
H2SO4(aq)1 moll
CuCu2+ - Halbzelle
H22 H2+ - Halbzelle
Stromschluumlssel
KNO3(aq)Cu-Elektrode
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
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 1 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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 - - -
Die Wasserstoff mengen der Elektrode sind minimal es geht keine Gefaumlhrdung davon aus (die Wasserstoff -entwicklung ist nur bei Aktivierung der Elektrode zu beobachten)
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 2 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
Versuchsaufbau
WasserstoelektrodeHydroexreg
V
c1 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 1 moll
c2 (HCl) = 01 moll
c2 (HCl) = 001 moll
c2 (HCl) = 0001 moll
Stromschluumlssel
KCl(aq)
WasserstoelektrodeHydroexreg
Versuchsergebnis
Die rote Gerade zeigt die tatsaumlchlich gemessenen Potentiale Sie ist linear weicht aber vom theoretisch berechnetem Potential ab
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 3 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
pH-Messung durch Konzentrationszellen
- 4 - copy Martin Schwabwwwfachreferent-chemiede
Vers
uch
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
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Endlich eine praxistaugliche
Wasserstoffelektrode
Dr Tanja Kurzenknabe Gaskatel GmbH Kassel
Denise Boumlhm Didaktik der Chemie Universitaumlt Wuumlrzburg
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Kipp-Kuumlvette Leihgabe von
Martin Schwab
httpwwwfachreferent-chemiede
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
HydroFlex ndash die einfache Loumlsung
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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)
HydroFlex ndash Aufbau
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Wasserstoffpotential
00 V
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Potenziale messen leicht gemacht
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
Konzentrationszellen rarr pH-Messungen
Cassy-System der Firma LD Didactic GmbH
Messgeraumlt Sensor-Cassy 2 bzw Pocket-Cassy
Software Cassy Lab 2
Weitere Informationen
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Messwerterfassungssystem
Sensor-CASSY 2
Pocket-CASSY
Versuche
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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Unterfranken httpwwwfachreferent-chemiede
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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
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Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Wasserstoff-pH-Elektrode
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
Konzentrationszellen rarr pH-Messungen
Cassy-System der Firma LD Didactic GmbH
Messgeraumlt Sensor-Cassy 2 bzw Pocket-Cassy
Software Cassy Lab 2
Weitere Informationen
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Messwerterfassungssystem
Sensor-CASSY 2
Pocket-CASSY
Versuche
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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Aufmerksamkeit
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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
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Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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Aufmerksamkeit
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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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
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Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
Konzentrationszellen rarr pH-Messungen
Cassy-System der Firma LD Didactic GmbH
Messgeraumlt Sensor-Cassy 2 bzw Pocket-Cassy
Software Cassy Lab 2
Weitere Informationen
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Messwerterfassungssystem
Sensor-CASSY 2
Pocket-CASSY
Versuche
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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[2] Cassy-System LD Didactic GmbH httpwwwld-didacticde
[3] Versuchsbeschreibungen Schwab M Fachreferent fuumlr Chemie in
Unterfranken httpwwwfachreferent-chemiede
Vielen Dank fuumlr Ihre
Aufmerksamkeit
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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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Zielsetzung
Entwicklung fuumlr den Chemieunterricht (CU) geeigneter Versuche mit
der Wasserstoffelektrode Hydroflex
Messung der Standardpotentiale
Konzentrationsabhaumlngigkeit von Potentialen
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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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
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Kein Innenelektrolyt ndash also kein Nachfuumlllen
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Abmessungen 12 cm Laumlnge 8 mm Durchmesser
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Wasserstoffreferenz Elektrode HydroFlexreg
SilberSilberchlorid Elektrode (zum Vergleich)
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als SHE oder NHE
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Elektrolytschluumlssel
Fuumlr SHE
Aktivitaumlt H+ 1 moll
Druck 1013 mbar
Fuumlr NHE
Konzentration H+ 1 moll
Druck atmosphaumlrisch
Arbeits-
elektrode
Haber-
Luggin-
Kapillare
Versuche
Messung von Standardpotentialen
Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
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Achtung 25 Ammoniak
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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Messqualitaumlt
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Fuumlr die pH Bereiche -2 bis 16 geeignet
Kein Umrechnen der Potentiale
Kein stoumlrendes Fremdmaterial
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Kein Innenelektrolyt ndash also kein Nachfuumlllen
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SilberSilberchlorid Elektrode (zum Vergleich)
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Druck 1013 mbar
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Druck atmosphaumlrisch
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Versuchsaufbau
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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Ergebnisse
exp AgAg+ 08V
theor AgAg+ 08V
exp CuCu2+ 034V
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exp SnSn2+ -014V
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exp ZnZn2+ -074V
theor ZnZn2+ -076V
exp LiLi+ -319V
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Standardpotentiale Edeg theoretisch vs experimentell
Konzentrationsabhaumlngigkeit
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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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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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
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Fuumlr Dauermessungen geeignet
Kein Innenelektrolyt ndash also kein Nachfuumlllen
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Abmessungen 12 cm Laumlnge 8 mm Durchmesser
austauschbare
Wasserstoffquelle
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Wasserstoffreferenz Elektrode HydroFlexreg
SilberSilberchlorid Elektrode (zum Vergleich)
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als SHE oder NHE
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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
Messung von Standardpotentialen
Experimentelle Bestimmung der Standardpotentiale Edeg von
CuCu2+
ZnZn2+
AgAg+
SnSn2+
LiLi+
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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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Messqualitaumlt
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Fuumlr die pH Bereiche -2 bis 16 geeignet
Kein Umrechnen der Potentiale
Kein stoumlrendes Fremdmaterial
Temperatureinsatzbereich -30 bis 200degC
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Fuumlr Dauermessungen geeignet
Kein Innenelektrolyt ndash also kein Nachfuumlllen
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Abmessungen 12 cm Laumlnge 8 mm Durchmesser
austauschbare
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Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
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Fuumlr SHE
Aktivitaumlt H+ 1 moll
Druck 1013 mbar
Fuumlr NHE
Konzentration H+ 1 moll
Druck atmosphaumlrisch
Arbeits-
elektrode
Haber-
Luggin-
Kapillare
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
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-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
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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Fuumlr die pH Bereiche -2 bis 16 geeignet
Kein Umrechnen der Potentiale
Kein stoumlrendes Fremdmaterial
Temperatureinsatzbereich -30 bis 200degC
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Kein Innenelektrolyt ndash also kein Nachfuumlllen
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Druck atmosphaumlrisch
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elektrode
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Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
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Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
c1 in moll pH1 c2 in moll pH2 in Volt
1 0 1 0 0
1 0 01 1 -0059
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Ungenauigkeiten bei der HCl-Konzentration
Diffusionspotentiale an Phasengrenzen
Langsames Ansprechverhalten der Hydroflex
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Fuumlr die pH Bereiche -2 bis 16 geeignet
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Temperatureinsatzbereich -30 bis 200degC
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Abmessungen 12 cm Laumlnge 8 mm Durchmesser
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Wasserstoffreferenz Elektrode HydroFlexreg
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Druck 1013 mbar
Fuumlr NHE
Konzentration H+ 1 moll
Druck atmosphaumlrisch
Arbeits-
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Bildung eines Tetraaminkupfer(II)-Komplexes [Cu(NH3)4] 2+
Potentialaumlnderung bis hin zu negativen Werten
Nernstlsquosche Gleichung
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mit Hilfe des Cassy-Systems
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Achtung 25 Ammoniak
Konzentrationsabhaumlngigkeit
von Potentialen
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
Tel 0561 59190 bull wwwgaskatelde
Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
Ergebnisse
Edeg(CuCu2+)=034V
Gleichgewicht zw Cu2+-Ionen
und [Cu(NH3)4] 2+
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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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
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Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
pH-Messungen
Versuchsaufbau
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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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
Gaskatel GmbH bull Hollaumlndische Str 195 bull 34127 Kassel
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Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
pH-Messungen
Theorie
Akzeptor-Halbzelle Donator-Halbzelle ∆E
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
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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
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Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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
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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
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Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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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
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Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
als RHE
Elektrolytschluumlssel
Fuumlr SHE
Aktivitaumlt H+ 1 moll
Druck 1013 mbar
Fuumlr NHE
Konzentration H+ 1 moll
Druck atmosphaumlrisch
Arbeits-
elektrode
Haber-
Luggin-
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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
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Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
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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
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Wasserstoff-Referenzelektrode
als SHE oder NHE
Wasserstoff-Referenzelektrode
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
HydroFlexreg
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Elektrolytschluumlssel
Fuumlr SHE
Aktivitaumlt H+ 1 moll
Druck 1013 mbar
Fuumlr NHE
Konzentration H+ 1 moll
Druck atmosphaumlrisch
Arbeits-
elektrode
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Luggin-
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