Elektrische Leitung. Leitung in Flüssigkeit

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1 Elektrische Leitung 1. Leitungsmechanismen Bändermodell 2. Ladungstransport in Festkörpern i) Temperaturabhängigkeit Leiter ii) Eigen- und Fremdleitung in Halbleitern iii) Stromtransport in Isolatoren iv) Fotoleiter 3. Stromtransport in Gasen i) Erzeugung von Ladungsträgern ii) Unselbständige Entladung iii) Selbständige Entladung 4. Stromtransport in Flüssigkeiten i) Ionenleitung in Flüssigkeiten ii) Faradaysche Gesetze iii) Elektrolyse und weiter Anwendungen Leitung in Flüssigkeit 4 V ma 15V/5A v A Phywe Strom durch: Destilliertes Wasser Leitungswasser Zuckerwasser Gesalzenes Wasser Warum ist Wasser mit und ohne Zusatzstoffe einmal leitend und einmal nicht? 1

2 Ladungstransport in Flüssigkeiten Dissoziation: In wässrigen Lösungen zerfallen Basen, Säuren und Salze in elektrisch geladene Bestandteile (Ionen) Molekül mit Ionenbindung Warum? Dissoziation ( Aufspaltung in Wasser) Bindungen zwischen Atomen durch Coulomb (elektrostatische) Kräfte vermittelt Materie zwischen zwei Ladungen reduziert die Coulombkraft Wasser hat eine hohe Dielektrizitätskonstante von ε r = 81 Kraft wird durch Wasser auf ein 1/81 reduziert NaCl Na Cl - CuSO 4 Cu SO 4 -- Anion Kation Strom in einem Elektrolyten Nach Dissoziation: Positive und negative Ionen im Wasser Ionen sind frei bewegliche Ladungsträger Feld wird angelegt positive Kationen wandern zu Minuspol negative Anionen wandern zu Pluspol Ionen werden an Elektroden neutralisiert Ladungstransport durch Ionen Ionenstrom in einem Elektrolyten bedeutet gleichzeitig einen Materialtransport 2

3 1. Faradaysches Gesetz Die bei der Elektrolyse abgeschiedenen Stoffmengen sind proportional zu der durch den Elektrolyten hindurchgeflossenen Ladungsmenge, also zum Produkt aus Stromstärke und Zeit. m = A I t A ist das elektrochemische Äquivalent eines Elements. Einheit kg/coulomb. Elektrolysieren von Silbernitrat: 1 Coulomb für Abscheidung von 1,118 mg Silber A = 1, kg/coulomb. Elektrolyse von Kupfer(II)-sulfat: 0,329 mg Kupfer pro Coulomb 2. Faradaysches Gesetz Eine gleiche Ladungsmenge scheidet aus verschiedenen Elektrolyten stets gleiche Äquivalentmassen der Stoffe ab. Die Äquivalentmassen (AM) sind die Molmassen dividiert durch ihre Wertigkeit z (Ladungszustand): Silber Wertigkeit 1: AM = 107,88 g/mol Kupfer Wertigkeit 2: AM= (63,6 g/mol)/2. Die Ladungsmenge, die benötigt wird, um eine Äquivalentmasse abzuscheiden, beträgt stets Coulomb/mol. Faraday-Konstante: unabhängig vom Stoff und Produkt aus Avogadro-Konstante N A und Elementarladung e. F = N A e = 6, mol -1 1, Coulomb F = Coulomb/mol 3

4 Elektrolyse Elektrolyse nicht nur in wässrigen Lösungen sondern auch in Schmelzen Aluminumgewinnung: Chemische Aufspaltung von Al schwer möglich Aluminium setzt sich an Kathode ab (Gesamtprozess Al 2 O 3 x C 2 Al mco 2 n C0 ) Kupferraffination Rohkupfer verunreinigt: Elektrolyse Abscheidung von Reinstkupfer Unedlere Metalle gehen in Lösung, werden aber nicht an Kathode abgeschieden Edlere oxidieren nicht anodisch und fallen aus 4

5 Ionenbeweglichkeit Elektrolyse: Strom aus Kationen-und Anionenbewegung I /- = n z e µe A I = I I - n Anzahl positver oder negativer Ionen pro Volumen z Ladungszustand der jeweiligen Ionen, e Ladung, µ Beweglichkeit für Ionen E elektrisches Feld, A Querschnittsfläche Ionen bewegen sich gleichförmig v = konstant = µ E: Kräftegleichgewicht: Beschleunigende Kraft = Reibungskraft bei bestimmter Geschwindigkeit Beschleunigende Kraft = z e E Reibungskraft = 6 π r η v Kugel in viskoser Flüssigkeit r Radius, v Geschwindigkeit η Viskosität Ionenbeweglichkeit z µ rη Größere Moleküle sind weniger beweglich und daher langsamer Ionenbeweglichkeit U-Rohr werden zwei Lösungen eingefüllt, die vorerst getrennt sind Lösung I NaNO 3 (Natriumnitratlösung) in Wasser Lösung II Harnstoff und KMnO 4 (Kaliumpermanganat) in Wasser Anlegen einer Spannung: Wanderung von Ionen 5

6 Ionenwanderung Zurückgelegter Weg s s = v t (Geschwindigkeit mal Zeit) v = µ E Beweglichkeit mal E-Feld s = µ E t Beweglichkeit MnO 4 - H cm 2 /Vs cm 2 /Vs Elektrophorese Unterschiedliche Beweglichkeit von Teilchen: Trennung Elektrophorese Proteine wandern unterschiedlich schnell auf Trägermaterial 6

7 Strom in Flüssigkeiten In einer Flüssigkeit findet Ladungstransport (Strom) durch Ionen statt und ist daher stets mit einem Massentransport (Ionen) verbunden. Ionen entstehen in Lösungsmitteln durch Dissoziation. Eine leitfähige Flüssigkeit heisst Elektrolyt Der Materialtransport in einem Elektrolyten ist durch die Faradyschen Gesetze (FG) beschrieben: 1. FG Masse = Strom mal Zeit mal Materialkonstante 2. FG Ladungsmenge zum Abscheiden von Äquivalentmasse (Molmasse durch Wertigkeit) ist stets Coulomb/mol Die Beweglichkeit von Ionen in Flüssigkeiten ist indirekt proportional zu ihrer Größe, d.h. große Ionen laufen langsamer in einem elektrischen Feld als kleinere Aufgrund der unterschiedlichen Beweglichkeit kann man Ionen (Moleküle..) mittels Elektrophorese trennen. 7