1. Galvanische Elemente Sie wandeln chemische in elektrische Energie um. Da dieser Prozess nicht umkehrbar ist, spricht man von Primärelementen.

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1 Elektrik Lehrwerkstätten und Berufsschule Zeughausstrasse 56 für Mechanik und Elektronik Tel CH8400 Winterthur Fax Halter für Galvanikversuche PA9410 Inkl.Versuchsanleitung: Dank kleinen Abmessungen werden nur wenig Chemikalien benötigt. Der Halter wurde speziell für den Einsatz in Schülerübungen zum Thema Galvanische Elemente entwickelt. Trotz kleinen Abmessungen kann mit normalen 4 mm Laborkabeln gearbeitet werden. Die farbigen Kunststoffhülsen schaffen Klarheit beim Versuchsaufbau. Technische Daten: Roter bzw. blauer 4 mm Lamellenstecker mit axialer 4 mm Buchse, auf AluHalter montiert Halterbreite 40 mm Steckerteile vergoldet, d.h. guter Korrisionsschutz Halterstab aus Aluminium, ø10 mm 150 mm inkl. ausführlicher Versuchsbeschreibung mit 3 Schülerblättern zu den Themen: Die Voltazelle (Galvanisches Element, Batterie) Der Bleiakkumulator Galvanisieren von Metallen (chemische Wirkung des Stromes) Empfohlenes Zubehör: PA 9307 Krokodilklemme, blank, 5 Stück PA 9414 Schmirgeltuch mm, 5 Stück PA 0941 Dose PP, 125 ml, ø63 mm, (dicht verschliessbar und säurefest) PA 9411 Elektroden, 1 Satz (Cu, 2 Fe, MS, 2 Pb, 2 Kohle, 2 Zn) PA9410.DOC 05/03 HP

2 1. Galvanische Elemente Sie wandeln chemische in elektrische Energie um. Da dieser Prozess nicht umkehrbar ist, spricht man von Primärelementen. 1.1 Prinzip Zwischen zwei in einer Flüssigkeit (Elektrolyt) getauchten, elektrischen Leitern baut sich eine Spannung auf, deren Grösse stoffabhängig ist. Der Wert entspricht der sogenannten Normalpotential gegen die NormalWasserstoffElektrode bei 25 C, d.h. der elektrochemischen Spannungsreihe und reicht von 1,50 V für Gold bis 2,4 V für Magnesium. 1.2 Die elektrochemische Spannungsreihe Zwischen einer Kupferplatte und einer Zinkplatte baut sich eine Spannung von 0,34 V bis 0,76 V = 1,10 V auf. Dabei geht das unedlere Metall in Lösung, hier also die Zinkplatte. Material Spannungswert Verhalten Gold 1,50 V Edel Platin 1,20 V Quecksilber 0,80 V Silber 0,80 V Kohle 0,74 V Kupfer 0,34 V Antimon 0,14 V Wasserstoff 0,00 V Blei 0,13 V Zinn 0,14 V Nickel 0,23 V Eisen 0,44 V Chrom 0,56 V Zink 0,76 V Aluminium 1,67 V Magnesium 2,40 V Unedel 1.3 Das galvanische Element im Schülerversuch Das VoltaElement Schülerversuch Seite 4 2. Batterien Batterien sind galvanische Elemente, die technisch so aufgearbeitet wurden, dass sie als ortsunabhängige Spannungsquellen eingesetzt werden können. Aus technischen Gründen haben sich nur wenige Batterietypen durchgesetzt. 2.1 Die LeclanchéBatterie 1,5 V Sie ist eine Weiterentwicklung des VoltaElements und die am häufigsten verwendete Batterie. Sie geht auf eine Entwicklung des französischen Ingenieurs Leclanché zurück, der seine Erfindung 1867 auf der Weltausstellung in Paris vorstellte. Der Batteriebehälter aus Zink ist der Minuspol, den Pluspol bildet ein GraphitStab, der aus einem Gemisch aus Graphit und Braunstein (MnO2) umgeben ist. Als Elektrolyt dient eine 20% NH4C1Lsg., die mit Quellmitteln wie Stärke eingedickt ist. Die Batterie liefert eine Spannung von 1,5 V. Das am positiven Pol entstehende Wasser (stark chemisch verunreinigt, aggressiv) kann Auslaufen und anliegende Geräte beschädigen. Moderne Batterien dieses Typs sind daher mit einem wasserdichten Stahlmantel umgeben (auslaufsichere Batterie). PA9410.DOC 2/ 7 05/03 HP

3 2.2 Die AlkaliManganBatterie Sie ist im Prinzip ähnlich aufgebaut wie die LeclanchéBatterie: ZinkPulverElektrode in Braunstein (=Mangan im Namen), Elektrolyt ist aber KaliumhydroxidLsg. Da diese Lösung erst bei 60 C vollständig erstarrt und nicht schon wie die obige bei 20 C, ist dieser Typ auch noch bei tiefen Temperaturen einsetzbar. Ausserdem entlädt sie sich nicht so schnell von selbst beim Liegenlassen. 3 Der Bleiakkumulator Akkumulatoren sind galvanische Elemente, in denen auf Grund reversibler elektrochemischer Vorgänge elektrische Energie gespeichert und bei Bedarf wieder entnommen werden kann. Aufladung: Entladung: elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt. chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt. Beim Bleiakkumulator handelt es sich um eine galvanische Kette Pb/H2SO4/PbO2, bei der die Bleielektrode der Minuspol, die Bleidioxidelektrode der Pluspol ist. Da beim Entladungsvorgang Wasser entsteht, nimmt die Konzentration der Säure mit fortschreitender Entladung des Akkumulators ab. Dadurch wir es möglich, den Ladungszustand eines Bleiakkumulators zu kontrollieren, in dem die Dichte der Säure gemessen wird. 3.1 Der Akku im Schülerversuch Versuch zusammen mit Glühlampe Schülerversuch Seite Versuch zusammen mit Elektromotor Schülerversuch Seite 6 4 Galvanisieren Wie beim Galvanischen Element werden auch beim Galvanisieren zwei Elektroden in einen Elektrolyten getaucht. Nur werden beim Galvanisieren die Elektroden an eine Spannungsquelle angeschlossen. Dadurch wird der Vorgang umgekehrt: Während in einer Batterie Spannung erzeugt wird, und dabei Material der Elektrode abgebaut wird, wird beim Galvanisieren durch Anlegen einer Spannung Material aufgetragen, eine Elektrode wird mit Metall überzogen. In der Industrie werden so z. B. Eisenteile verchromt. 4.1 Galvanoplastik Dabei werden dreidimensionale Gegenstände hergestellt. Von einem Original wird aus Silikon ein Negativabdruck hergestellt. Der wird mit Graphitpulver leitend eingestrichen und dann in ein geeignetes Bad zum Galvanisieren getaucht. Nach Entfernen der Silikon und Graphitschicht liegt eine Kopie des Originals vor. 4.2 Galvanisieren im Schülerversuch Galvanisieren, zeigt eine Wirkung des elektrischen Stroms Schülerversuch Seite 7 PA9410.DOC 3/ 7 05/03 HP

4 Die Voltazelle Die Batterie (eine elektrische Energiequelle) ist durch ihre Spannung U gekennzeichnet. Sie gibt die Stärke der Batterie an. Um das Jahr 1800 baute der italienische Physiker Graf Alessandro Volta ( ) die erste brauchbare elektrische Stromquelle, die Voltazelle (Voltaelement), die während längerer Zeit einen Strom liefern konnte. Ihm zu Ehren heisst die Spannungseinheit 1 Volt : 1 V (U=1 V) Versuchsaufbau: Spannungsmessgerät V Kupferplatte Schwefelsäure, 10% Zinkplatte Eine Zinkplatte und eine Kupferplatte werden mit Krokodilklemmen am Halter befestigt und in verdünnte Schwefelsäurelösung (10 %), die sich in einer kleinen Kunststoffdose befindet, eingetaucht. Über ein Spannungsmessgerät werden die beiden Metallplatten durch Kabel verbunden. Es ist ca. 1 Volt Spannung messbar. Nun können auch mehrere solcher Voltazellen in Serie geschaltet werden Wir messen nun 2, 3, 4, usw. Volt Spannung. Der Minuspol der Zelle 1 wird dabei verbunden mit dem Pluspol der Zelle 2 und der Minuspol der Zelle 2 verbunden mit... usw. Bei der Serieschaltung von elektrischen Stromquellen addieren sich die Einzelspannungen! Am Schluss des Versuches werden die Metallplatten getrocknet (nicht mit dem Nastuch!) und mit Metallschmirgeltuch sauber poliert. Die Spannung dieses Elements nimmt im Betrieb mit der Zeit etwas ab es bildet sich eine Sperrschicht zwischen Metallplatte und Schwefelsäure. In Labors verwendet man heute noch sogenannte. Normalelemente z. B. das Westonelement aus Quecksilber und Cadmium, es hat eine Spannung von 1,01 Volt. Von den vielen (Galvanischen) Elementen, die Volta mit verschiedenen Metallen zusammengestellt hat, ist nur noch die Taschenlampenbatterie (Kohle/Zink) in Gebrauch. Material: (Detail siehe Seite 6) Kupferplatte, Zinkplatte, Halter für Galvanikversuche, Krokodilklemmen, Kunststoffdose, 10% Schwefelsäure in Kunststoffflasche, Spannungsmessgerät, div. Kabel, Schutzbrille PA9410.DOC 4/ 7 05/03 HP

5 Der Akkumulator A) Versuch: Akku zusammen mit einer Glühlampe Der Akkumulator (kurz Akku genannt) ist eine wiederaufladbare Batterie. Versuchsaufbau: Baue eine Voltazelle. Anstelle einer Kupferplatte und einer Zinkplatte nimmst Du 2 Bleiplatten und bringst sie auch in verdünnte Schwefelsäure. Schutzbrille! Miss die Spannung über den Bleiplatten. Die Spannung beträgt Null Volt. Der Akku ist leer (gleiches Material der beiden Platten). 1. Laden des Akkus mit dem Netzgerät Du schliesst den Akku am Netzgerät an: Lade etwa 1 Minute (23 V), Netzgerät abstellen und Kabel lösen. Betrachte die beiden Bleiplatten. Die eine Bleiplatte ( Pol) ist bräunlich geworden durch die chemische Wirkung des elektrischen Stromes (Schicht von Bleidioxid). Schliesse das Spannungsmessgerät an die beiden Platten an, es zeigt ca. 2 Volt Spannung an. 2. Entladen des Akkus An die Stelle des Netzgeräts kommt ein Lämpchen. Es brennt kurz. Es fliesst ein dem Ladestrom entgegengesetzter Entladestrom, die Spannung sinkt ab. Die chemischen Veränderungen des Ladevorgangs werden rückgängig gemacht. Die braune Schicht löst sich langsam ab. Laden/Entladen mit Umschalter: Baue die nebengezeichnete Schaltung auf und zeige sie vor dem in Betrieb nehmen Deiner Lehrerin oder Deinem Lehrer. Wie lange brennt das Lämpchen? Wenn Dein Versuch beendet ist, schmirgle die beiden trockenen Bleiplatten gut ab (keine Rückstände)! Die Schwefelsäure wird zurückfiltriert! A V Material: (Detail siehe Blatt 6) 2 Bleiplatten, Halter für Galvanikversuche, Krokodilklemmen, Kunststoffdose, Lämpchen 2 V oder LED, 10% Schwefelsäure in Kunststoffflasche, Umschalter Spannungsmessgerät, (ev. Strommmessgerät), Netzgerät zum Laden, div. Kabel, Schutzbrille PA9410.DOC 5/ 7 05/03 HP

6 Der Akkumulator B) Versuch: Akku zusammen mit einem Elektromotor Versuchsablauf: Laden: Mit einem Netzgerät wird der AKKU während ca. 1 min. geladen. Die eine Bleiplatte () verfärbt sich durch die elektrische Wirkung des Stromes dabei bräunlich. (Schicht von Bleidioxid). Beachte die Stromrichtung am AMeter. v A Ladespannung 34 V 0 laden entladen V Entladen: Durch umschalten des Drehschalters wird der AKKU an den Elektromotor geschaltet. Dieser beginnt sofort zu drehen und läuft einige Sekunden. Die braune Schicht an der () Platte löst sich langsam ab. Beachte die Stromrichtung am AMeter. 0 A Pb Pb Beachte auch den Text zu Versuch 1! Materialliste (Für alle Versuche dieser Beschreibung): Stück ArtikelNr. Bezeichnung Bemerkung 1 PA 0941 Dose 125 ml, D=63 mm, PP absolut dicht verschliessbar 1 PA 1124 Doppelmuffe D=10 mm, gekreuzt 1 PA 1128 Rundfuss 1 PA 1130 Stativstange 150 mm, rund 1 PA 7190 Netzgerät VDC/0...3 A, stab. 1 PA 7493 Multimeter, analog, Nullp. li/mitte Strommessung 1 PA 7498 Multimeter, digital, MY68 Spannungsmessung 1 PA 7702 Glühlampe E10, 2,5 V 0,2 A, 5 Stück anstelle PA 8590, 1 Stück 1 PA 8527 Drehschalter 1 x 3U 0 1 PA 8540 Lampenfassung E10 anstelle PA PA 8590 Motor/Generator 0...4,5 VDC 1 PA 8591 Propeller D=70 mm 2 PA 9307 Krokodilklemmen blank, 5 Stück gebraucht werden 2 Stück 1 PA 9410 Halter für Galvanikversuche 1 PA 9411 Elektroden, 1 Satz Cu, Fe, Ms, Pb, Zn, Kohle 1 PA 9414 Schmirgeltuch, 25 x 300 mm, 5 Stück pro Schülerplatz 1 Stück div. PA Verbindungskabel 4 mm, rot, blau PA9410.DOC 6/ 7 05/03 HP

7 Galvanisieren (Chemische Wirkung des elektrischen Stromes) Den elektrischen Strom kann man nicht sehen, man kann ihn nur an seiner Wirkung erkennen. Eine dieser Wirkungen ist die chemische Wirkung. Dabei wird eine chemische Verbindung (z. B. Kupfersulfatlösung 10 %) durch den elektrischen Strom in seine Bestandteile zerlegt. Man nennt dieses Verfahren Elektrolyse. Diese Methode wird gebraucht bei der Gewinnung von reinen Metallen oder beim hauchdünnen Beschichten von Metallen (galvanisieren). Versuchsaufbau: Kohlestift Kupfersulfatlösung 2 Kohlestifte werden mit Hilfe der Aufhängevorrichtung mit Klemmen befestigt und in eine blaue Kupfersulfatlösung, die sich in einer Kunststoffdose befindet, eingetaucht. Die Kohlestifte werden durch Kabel mit dem Netzgerät verbunden, dessen Spannungsregler dann langsam bis auf ca. 4 Volt aufgedreht wird. Am einen Kohlestift () Pol steigen Gasblasen auf und am andern Kohlestift () Pol lagert sich eine rötliche Schicht von reinem Kupfer an (Umkehrvorgang beim Vertauschen der Stromanschlüsse). Ersetzt man den Kohlestift des () Pols durch eine Kupferplatte, so kann die Verkupferung verbessert werden, z. B. beim Verkupfern eines Eisennagels oder einer Münze, die man an Stelle des Kohlestifts am () Pol einklemmt (Spannungen unter 2 Volt verwenden). Material: (Detail siehe Seite 6) 2 Kohlestifte, 1 Kupferplatte, Halter für Galvanikversuche, Krokodilklemmen, Kunststoffdose, Kupfersulfatlösung 10 %, Netzgerät, div. Kabel, Plattenstativ, Doppelmuffe, etwas Metallschmirgeltuch PA9410.DOC 7/ 7 05/03 HP