E5: Faraday-Konstante

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1 E5: Faraday-Konstante Theoretische Grundlagen: Elektrischer Strom ist ein Fluss von elektrischer Ladung; in Metallen sind Elektronen die Ladungsträger, in Elektrolyten übernehmen Ionen diese Aufgabe. Befinden sich metallische - und elektrolytische Leiter in demselben Stromkreis, so werden an der Phasengrenze Elektronen entweder vom Metall zum Ion oder vom Ion zum Metall übertragen. Bei der Elektrolyse wird durch eine angelegte Spannung eine elektrochemische Reaktion in ihre nichtfreiwillige Richtung gezwungen. Verläuft hingegen eine Reaktion an den Elektroden freiwillig, so wird elektrischer Strom erzeugt und man spricht von einem galvanischen Element. Die Frage, in welchem Verhältnis die bei der Elektrolyse verbrauchte oder durch ein galvanisches Element gelieferte Elektrizitätsmenge zu der Menge der elektrochemisch umgesetzten Stoffe steht, wurde zuerst von Michael Faraday (1833) gestellt. Seine Untersuchungen führten zu dem nach ihm benannten Gesetz (Gleichung (1)). Das 1. Faraday sche Gesetz m ~ I t (1) Das erste Faraday sche Gesetz besagt, dass die Menge der elektrolytischen Zersetzungsprodukte (m) zu der durchgegangenen Elektrizitätsmenge (I t) proportional ist (I = Stromstärke [A], t = Zeit [sec], m = Masse [g]). Auf Grund dieses Gesetzes kann man die Menge der elektrolytischen Produkte als Maß der geflossenen Elektrizitätsmenge benutzen. Da diese in Coulomb = Amperesekunden gemessen wird, bezeichnet man solche Apparate als Coulombmeter (schematische Darstellung siehe Abbildung 1). S e i t e 1

2 Abb. 1: Kupfer Coulombmeter In der Praxis benutzt man häufig das Kupfer Coulombmeter. Bei der Elektrolyse von wässriger Kupfer-II-sulfat Lösung zwischen Kupferelektroden werden die Cu 2+ - Ionen an der Kathode reduziert: 2 e - + Cu 2+ (aq) Cu (f) (2) Von den drei möglichen Oxidationen, die an der Anode auftreten können (Gleichung (3), (4) und (5)), wird nur die Oxidation des Kupfers (5) an der Elektrode beobachtet. An der Anode geht demnach Kupfer aus dem Elektrodenmaterial unter Bildung von Cu 2+ -Ionen in Lösung; an der Kathode scheiden sich Cu 2+ -Ionen als festes Kupfer ab. Es gilt das zweite Faraday sche Gesetz (Gleichung (6)). 2 SO 4 2- (aq) S 2 O 8 2- (aq) + 2 e - (3) 2 H 2 O (fl) O 2 (g) + 4 H + (aq) + 4 e - (4) Cu (f) Cu 2+ (aq) + 2 e - (5) S e i t e 2

3 Das 2. Faraday sche Gesetz: m : m M M Ä1 : Ä2 : (6) z1 z2 Das zweite Faraday sche Gesetz besagt, dass die durch gleiche Elektrizitätsmengen aus Lösungen verschiedener Stoffe abgeschiedenen Massen sich wie die chemischen Äquivalentmassen verhalten. Unter der Äquivalentmasse (Ä) versteht man die Molmasse (M) der Ionen dividiert durch die elektrochemische Wertigkeit (z). Einander äquivalent sind somit z. B.: H +, Cl -, Ag +, 1/2 Cu 2+, 1/3 Fe 3+, ½ SO 2-4 usw.. Aus einer Cu + -Lösung werden durch die gleiche Elektrizitätsmenge doppelt so viel Gramm metallisches Kupfer abgeschiedenen, wie aus einer Cu 2+ -Lösung. Man kann die beiden Faraday schen Gesetze in einer einzigen Beziehung schreiben (Gleichung (7)). F ist die so genannte Faraday-Konstante. Sie lässt sich bestimmen, wenn die anderen Faktoren bekannt sind. Die Faraday-Konstante ist das Produkt aus der Avogadro-Konstante N A = 6, mol -1 und der elektrischen Elementarladung e = 1, C (Gleichung (8)). m I t M z F (7) F = N A e = C mol -1 (8) S e i t e 3

4 Praktischer Teil Die Versuchsanordnung setzt man gemäß Abbildung 2 zusammen, Messgerät und Stromgeber sind hier in einem Gerät kombiniert. Abb. 2: Skizze des Versuchaufbaus Einstellungen am Multimeter: 20 A eingestellter Messbereich, gemessen wird zwischen COMMON und 20A Versuchsdurchführung: Vor Versuchsbeginn muss die trockene Kathode auf der Analysenwaage gewogen werden! Die CuSO 4 -Lösung wird in das Becherglas gefüllt, die gewünschte Stromstärke am Netzteil eingestellt und eingeschaltet. Nach Ablauf der gewünschten Dauer wird die Elektrode mit dest. Wasser abgespült, danach mit Aceton gespült (Acetonabfälle müssen gesammelt werden und dürfen unter keinen Umständen in den Ausguss geschüttet werden) und mit dem Fön kurz getrocknet (wichtig: die Elektrode muss komplett trocken sein!!!). Anschließend wird die Gewichtszunahme auf der Analysenwaage ausgewogen. Nach Beendigung der Messungen ist die CuSO 4 - Lösung zurück in die Vorratsflasche zu schütten. Die Elektroden und Elektrolysegefäße sind zu spülen und zu trocknen. Elektrolysiert wird mit den Stromstärken 250, 500, 750, 1000 und 1250 ma je einmal 10 Minuten lang, sowie mit der Stromstärke 1000 ma je dreimal 3, 6, 9 und 12 Minuten lang. S e i t e 4

5 Auswertung Die Proportionalität zwischen der abgeschiedenen Kupfermenge und dem Strom (m = k I) bzw. der Zeit (m = k t) wird durch die graphische Auftragung von m gegen I bzw. m gegen t überprüft. Hierfür werden die Mittelwerte mit der Standardabweichung verwendet. Wie viel Gramm müssten idealerweise bei den einzelnen Messungen abgeschieden werden? Berechnen Sie die jeweiligen idealen Massen und tragen Sie diese mit in die Graphen auf. Diese Werte sollen später im Protokoll zur Diskussion herangezogen werden. Für jede Messung wird die Faraday Konstante bestimmt. Aus allen Messserien unter gleichen Bedingungen sowie aus allen an diesem Versuchstag ermittelten Faraday-Konstanten werden der Mittelwert und die Standardabweichung bestimmt. Diskutieren Sie, bei welchen Bedingungen die gemessenen Werte besonders stark von Literaturwert abweichen bzw. dem Literaturwert entsprechen. Vergleichen Sie den erhaltenen Mittelwert mit dem Literaturwert und fügen Sie ggf. eine Fehlerbetrachtung an. Zusatzaufgabe (in der Diskussion zu beantworten): Mit welcher Stromstärke wurde elektrolysiert, wenn in 20 min 1,2 g Silber aus einer Silbernitratlösung abgeschieden wurden? (Rechnung bitte mit ins Protokoll) S e i t e 5