Protokoll zum Anfängerpraktikum

Transkript

1 Prookoll zu nfängerprakiku Besiung der FRDY Konsanen durch Elekrolyse Gruppe 2, Tea 5 Sebasian Korff 3.7.6

2 nhalsverzeichnis 1. Einleiung Die Faraday Konsane Grundlagen der Elekrolyse Versuchsdurchführung Besiung der Faraday Konsanen durch Elekrolyse Beanworung der Fragen -9- Lieraurverzeichnis nhang 2

3 1. Einleiung 1.1 Die Faraday Konsane Die Faraday-Konsane wird dann benuz, wenn an wissen will, welche elekrische Ladung eine besie Soffenge an onen oder Elekronen räg. Der Nae der Naurkonsanen würdig die grundlegenden rbeien von MHEL FRDY ( ), die ihre erse Besiung eröglich haben. Der akuelle Wer der Konsane is F N e 96485, 39. Definiionsgeäß gil: Die Faraday-Konsane is der Berag der elekrischen Ladungsenge eines Mols Elekronen; daher is sie gleich de Produk aus der 23 1 VOGDRO-Konsanen 6,22 1 und der Eleenarladung e 1, N Die Faraday-Konsane is eine wichige Größe der Physik und heie, insbesondere der Elekrocheie; sie is eine fundaenale, unveränderliche Naurkonsane. Sie wird dann verwende, wenn Soffusäze i elekrischen Ladungen verknüpf sind, ewa bei der Elekrolyse, zu Beispiel bei der Galvanik, oder bei Brennsoffzellen und Baerien. Soi is sie nich nur in der Wissenschaf, sondern auch in der Technik von Bedeuung, besonders in der Galvanoechnik. Eine ineressane nwendung der Faradayschen Geseze is der Gebrauch als Süze der oheorie, also als sarker Hinweis, dass es oe und onen gib: Wie aufgrund des Millikan-Versuchs bekann is, is die elekrische Ladung gequanel, d.h. es gib eine kleinse elekrische Ladung, die Eleenarladung e. Da geäß den Faradayschen Gesezen die Soffenge proporional zur Ladung is, folg sofor, dass bei der Elekrolyse die Soffe in kleinsen Porionen ugesez werden, eben den oen oder den onen, die eine Ladung ragen, die enweder der Eleenarladung oder eine vielfachen davon ensprich. Jahre 1832 selle Faraday die Grundgeseze der Elekrolyse, heue bekann als Faradaysche Geseze, auf: 1.Faraday'sches Gesez: Die Masse einer Soffenge n, die an einer Elekrode während der Elekrolyse abgeschieden wird, is proporional zur Ladung Q, die durch den Elekrolyen geschick wird. Es gil ~ Q. (1) Q F F 3

4 2.Faraday'sches Gesez: Die durch eine besie Ladung Q abgeschiedene Masse eines Eleens is proporional zu ogewich des abgeschiedenen Eleens und ugekehr proporional zu seiner Werigkei z, daher zur nzahl von oen, die sich i diese Eleen verbinden können. Es gil: ~. z Zusaengefass gil (2) Q n z F, i Q -Ladung, z -Ladungszahl und F -Faraday Konsane F is gleich der Ladung, die zur bscheidung eines Mols (also - vogadrokonsane) eines einwerigen Soffes benöig wird, und auch gleich de Berag der Ladung e eines Mols Elekronen. Daher gil (3) F N e N us der Definiion der Molasse M erhäl an (4) M n, i - Masse und n Ν Daraus fol als Zusaenfassung beider Faraday scher Geseze M Q (5) z F Bei konsaner Srosärke is die Ladung Q proporional zur Elekrolysezei. Man erhäl: F M z (6) 1.2 Grundlagen der Elekrolyse Uner Elekrolyse (griech. "iels Elekriziä rennen") verseh an die ufspalung einer cheischen Verbindung uner der Einwirkung des elekrischen Sros. Die Spannung, die dabei indesens angeleg werden uss, bezeichne an als bscheidungspoenial. Dieses sez sich aus de Redoxpoenial ab, welches bei de galvanischen Eleen frei werden würde, sowie eine hergesell, lezeres wird wiederu zur Produkion von Tian benöig. Die lkaliealle und die eisen Erdalkaliealle werden durch Elekrolyse gewonnen, ferner die Halogene Fluor, Bro und hlor, das ewa für weiere Synhesen in große Maßsab verwende wird. Meallabscheidungen gehören zu den wichigsen nwendungen, enweder wie die oben genannen Beispiele zeigen - zur Gewinnung von eleenaren Meallen als 4

5 solchen oder zur Erzeugung von eallischen Überzügen bei der Galvanik oder zur Hersellung von Leierbahnen in der Prozessorprodukion, außerde zur Reinigung und Trennung von Meallen bei der Elekroraffinaion. Wie die obigen Beispiele zeigen, werden aber auch Nichealle wie die Halogene elekrolyisch gewonnen. Besonders zu erwähnen sind Wassersoff und Sauersoff, die durch Wasserelekrolyse prinzipiell sehr leich zugänglich sind. Bisher war es aber zueis billiger, Wassersoff aus Erdöl oder Erdgas und Sauersoff aus der Luf zu gewinnen, während die Elekrolyse nur in Gegenden renabel war, in denen billiger Sro, z. B. aus Wasserkraf, zur Verfügung sand. Wenn sich Erdgas und Erdöl und daraus gewonnene Treibsoffe weier vereuern, so is zu erwaren, dass zukünfig der Wasserelekrolyse iels elekrischer Energie z. B. aus Solarsro und insbesondere der Kernfusion zur Gewinnung von Wassersoff als Energieräger eine besondere Bedeuung zuko. Bei der Elekrolyse wird elekrische in cheische Energie ugewandel. Besonders i Falle von Wassersoff und Sauersoff wird auch die Ukehrung genuz, die Gewinnung von elekrischer Energie in der Brennsoffzelle, die zusaen i der Wasserelekrolyse zenrale Bausein einer zukünfigen Wassersoffwirschaf wären. Die Elekrolyse is ein Vorgang, der durch die von außen angelege elekrische Spannung erzwungen wird: Die Spannungsquelle bewirk einen Elekronenangel ("Elekronensog") in der i de Pluspol verbundenen Elekrode und einen Elekronenüberschuss ("Elekronendruck") in der anderen, i de Minuspol verbundenen Elekrode. Die elekrocheische Oxidaion erfolg an der node und beseh in eine Elekronenenzug durch die Elekrode: Die node is bei der Elekrolyse die posiiv geladene Elekrode (Pluspol), die Kahode is der Minuspol. Dai die Spannung während der Elekrolyse aufrech erhalen bleib, uss von außen Energie zugeführ werden, und es fließen elekrische Sröe: Die Sroquelle bring Elekronen von der node, also vo Pluspol, zu Minuspol, was nur öglich is, inde sie eine ensprechende rbei leise. Sie "pup" Elekronen von der node zur Kahode. Dai der Srokreis geschlossen bleib, uss i Elekrolyen dieselbe Srosärke herrschen, wobei der Ladungsranspor hier durch die onen erfolg: die negaiv geladenen nionen wandern bevorzug zur posiiv geladenen node, die posiiv geladenen Kaionen wandern zur negaiv geladenen Kahode. Der Übergang zwischen Elekronenleiung und onenleiung erfolg durch die Vorgänge an den Elekroden. Für unsere verwendeen Kupferelekroden gil: 5

6 Kahode: u e u node: e) + u uso4 u + 4 ( SO SO 2. Versuchsdurchführung 2.1 Besiung der Faraday-Konsanen durch Elekrolyse Wir bauen eine einfache Schalung zur Elekrolyse geäß bb. 1 auf. Für das Messprogra werden 5 verschiedene Kobinaionen von Srodiche j [,5;,2] und Elekrolysezei [ 15;3]in verwende. c² bb.1: Zur Messung der FRDY Konsanen durch Elekrolyse -pereeer, E-elekrisches Feld, l -Plaenabsand, U-Spannung Die gereinigen Kupferelekroden werden in eine Lösung von 125g Kupferviriol, 5g Schwefelsäure und 5g Ehanol in 1l Wasser iels der rreierungssangen eingeauch. Die Einauchiefe und die Breie der Elekroden wird i der Schublehre besi. Das Nezgerä wird als Sroquelle verwende und liefer über die vorher fesgelege Zei einen konsanen Sro geäß j. Die Srosärke wird öglichs schnell eingesell, da jede Ungenauigkei in Wer und Dauer der Einsellung das Messergebnis verfälsch (Frage 1). Die Elekroden werden vor und nach der Messung jeweils gereinig und gewogen und die Massendifferenz besi. Hieraus wird geäß Gleichung (6) die Faradaykonsane berechne. Dabei ensprich z 2, da das Kupfer nach der ufnahe von 2 onen gesäig is. Die g are Masse von Kupfer is M u 63, 546. Es ergeben sich folgende Messwere: 6

7 Messung i Einauchiefe Srodiche x / c 5,7 5,9 6,1 5,7 5,9 j /,5,1,15,7,2 c ² eingeauche Fläche / c² 5,73 52,51 55,51 5,73 52,51 Srosärke Messzei / / in Vor der Elekrolyse Masse Kahode v ±,5,256,53,839,359 1,53 ± 5sec K / g 113,78 122, , , ,364 Masse node v / g 116,18 11, , ,98 11,576 nach der Elekrolyse Masse Kahode Masse node Massendifferenz Kahode + / / g n g n K / g 112, ,38 137, ,18 122,24 / g 116,168 11, , ,33 11,885 +,141,278,359,129,34 node -,15 -,266 -,335 -,125 -,39 Faradaykonsanen F i / 9766,7 9496, ,7 9377, ,5 Größfehler Δ F i / 1952,9 966,8 78,8 1423,8 729,4 bb.2: Daen zur Messung der FRDY Konsanen durch Elekrolyse usführungen zur Berechnung des Größfehlers i nhang Δ ± 1g Für den i den reziproken Quadraen der Einzelwere gewicheen Mielwer erhalen wir F ( 95716,3 ± 1156,3). Vergleich zu Lieraurwer von F 96485, 39 weich unser Ergebnis u ca.,8 % ab. n nberach der relaiv großen Ungenauigkeien der Messung ensprich dieses Ergebnis jedoch unseren Erwarungen. Wird die Faraday Konsane aus de Berag der Massedifferenz der node F node 92511,6 ± 1154, 5. Dieser Wer zeig eine besi, so erhalen wir ( ) deuliche bweichung von 4,2 %. Dies lieg daran, dass der Massenabrag an der node nich nur durch die Reakion des Kupfers i den Sulfa-onen safinde. Es 7

8 enseh auch Kupferoxid an der Elekrode, was durch das späere Spülen abgeragen wird, so dass die Massendifferenz größer wird, wie auch i Experien beobache wurde. Benuz an nur diese Were zur Besiung der Faradaykonsanen, so ach an einen syseaischen Fehler (Frage 3). nsgesa können wir also von eine gelungenen Experien sprechen. 8

9 3. Beanworung der Fragen Frage 1: siehe Seie 6 Frage 2: 1 ) ( e z.b. 1 2 ) ( 1) (2 ) ( e d e d Q Frage 3: siehe Seie 8 9

10 Lieraurverzeichnis Breuer, Hans, dv-las Physik, 6. uflage, Deuscher Taschenbuch Verlag GbH & o. KG München, Sepeber 25 Helers, Dr. Heinz, Skrip zu nfängerprakiku Physik, vo Universiä Oldenburg, nsiu für Physik, pril 26 Halliday, David, Physik, Wiley VH GbH, Weinhei, 23 1

11 nhang Besiung des Größfehlers der Faraday Konsanen Δ F. F geäß Gleichung (6) Δ F F Δ + F Δ + F Δ 11