WANDERUNGSGESCHWINDIGKEIT

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1 Praktikum Tei A und B 1a. WANDRUNGSGSCHWINDIGKIT Stand 11/0/01 WANDRUNGSGSCHWINDIGKIT 1. Versuchspatz Komponenten: URohr Vorratsgefäß zum Unterschichten mit der KLösung ektroden K Lösung K Lösung. Agemeines zum Versuch Besteht zwischen zwei ektroden, die voneinander den Abstand 1 haben, die eektrische Potentiadifferenz ϕ, so kann man, Homogenität des eektrischen Fedes vorausgesetzt, für die Fedstärke formuieren: ϕ Befindet sich zwischen den ektroden eine ektroytösung, so erfahren die Ionen nach dem inschaten des Stromes eine Kraft in Richtung auf die ektroden. Die Lösung übt aufgrund ihrer Viskosität eine der Reativgeschwindigkeit proportionae Gegenkraft aus. Die sich einsteende Geschwindigkeit ist dann von der Potentiadifferenz abhängig. Das bedeutet, dass die Bremskraft (Reibungskraft) F R den geichen Betrag wie die auf das Ion mit der Ladung q wirkende eektrische Kraft F e hat und dieser entgegengerichtet ist. s git aso: F R R (R Reibungskonstante) r F e r q Im stationären Fa (zeitich konstante Driftgeschwindigkeit) git F R F e und daher: r q u R Demzufoge ist im stationären Zustand die mittere Wanderungsgeschwindigkeit r der Ionen dem angeegten eektrischen Fed r proportiona. Der Proportionaitätsfaktor u wird as Ionenbewegichkeit bezeichnet und hat die inheit [u] cm s 1 V 1. 1

2 Praktikum Tei A und B 1a. WANDRUNGSGSCHWINDIGKIT Stand 11/0/01 Im inheitsfed von 1 V cm 1 ist die Bewegichkeit u zahenmäßig geich der Wanderungsgeschwindigkeit. Da die Bewegichkeiten der verschiedenen Ionenarten eines ektroyten und damit deren Wanderungsgeschwindigkeiten im Agemeinem nicht geich sind, ist für jede Ionensorte gesondert zu formuieren: u u + + Bei hinreichend niedrigen Fedstärken ist die Ionenbewegichkeit unabhängig von der Fedstärke, jedoch eine Funktion von Druck, Temperatur und Konzentration. Über die Ionenbewegichkeit wird mit der Faradaykonstante F und der Ladungszah z des betreffenden Ions die moare Ioneneitfähigkeit λ ± F u ± z ± (mit [λ] cm Ω 1 mo 1 cm S mo 1 ) eingeführt und das Kohrauschsche Gesetz der unabhängigen Ionenwanderung formuiert: Λ ν λ +ν λ ν ist dabei der stöchiometrische Koeffizient der betreffenden Ionensorte (siehe Praktikumsversuch LITFÄHIGKIT ). Das Gesetz der unabhängigen Ionenwanderung besagt, dass sich die moare Leitfähigkeit Λ 0 eines ektroyten additiv aus den Leitfähigkeitsanteien λ + der einzenen Ionensorten zusammensetzt. Der Index weist jedoch auf die inschränkung hin: Das Gesetz ist nur für idea verdünnte Lösungen gütig. Bei einem ektroyten mit derart geringer Konzentration assen sich eektrostatische Wechsewirkungen zwischen den Ionen vernachässigen, so dass die Bremskraft F R aein auf die Reibung zurückzuführen ist. Für kugeförmige Teichen git in diesem ideaisierten Fa das Reibungsgesetz von Stokes:. F 6πηr R hyd η ist die Viskosität des Lösungsmittes und r hyd der hydrodynamische Radius. Für eine ideae Kuge ist der hydrodynamische Radius geich dem geometrischen Radius. Hat das Ion die Ladung ze, so git für die Ionenbewegichkeit ze u πηr 6 hyd Damit ist der hydrodynamische Ionenradius r hyd experimente zugängich. Der hydrodynamische Radius ist oft größer as der Ionenradius, wecher sich durch Röntgenbeugung an den entsprechenden Sazkristaen ergibt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Ionen hydratisiert sind und die Hydrathüe bei der Wanderung mitgeführt wird. s so der Wanderungsgeschwindigkeit von PermanganatIonen bestimmt werden, indem man die zeitiche Verschiebung der Grenzfäche zwischen einer K Lösung und einer

3 Praktikum Tei A und B 1a. WANDRUNGSGSCHWINDIGKIT Stand 11/0/01 K Lösung im eektrischen Fed misst. Dabei kommt es darauf an, dass sich eine scharfe Grenzfäche zwischen den beiden Lösungen ausbidet, die gut zu beobachten ist. Voraussetzung dafür sind zum einen ein hinreichend großer Dichteunterschied und zum anderen etwa geiche Wanderungsgeschwindigkeit der Anionen. Aufgrund der unterschiedichen Bewegichkeiten der und Anionen ässt sich dies nur bewerksteigen, wenn die Fedstärken in den beiden Lösungen verschieden sind: u u u u Das Verhätnis der Fedstärken ist jedoch durch das Verhätnis der Konzentrationen in den beiden Lösungen bestimmt, da die konzentrationsabhängige spezifische Leitfähigkeit über den Spannungsabfa im ektroyten die Fedstärke beeinfusst (Abb. 1). s kann formuiert werden: Δϕ Δϕ 1 Durch Konzentrationsänderungen werden aso die Leitfähigkeit und dadurch der Spannungsabfa und etztich die Fedstärke beeinfusst. Die oben angesprochene Grenzfächenstabiität wird demnach durch die richtige Wah der Konzentrationen der ektroyse gewähreistet. Um die Durchführung des Versuches zu vereinfachen, wurden zwei ektroyte gewäht, bei denen die Bewegichkeiten der Anionen annähernd geich groß sind, so dass geiche Konzentrationen verwendet werden können. Dennoch sind in der Praxis die Wanderungsgeschwindigkeiten der beiden Anionen meist + nicht exakt geich groß. Deshab wird der Versuch in einem URohr durchgeführt, in dem zwei Grenzfächen auftreten. Δϕ Auch wenn die Wanderungsgeschwindigkeiten geringfügig 1 differieren, wird sich in einem Schenke eine reativ scharfe Δϕ Grenzfäche ausbiden, (dort nämich, wo die schneen Anionen vorauseien). Im übrigen haben exakte Messungen ergeben, dass auch eine mehr oder weniger diffuse Grenzschicht die Genauigkeit der Messung nicht Abb. 1 beeinträchtigt, wenn nur gewähreistet ist, dass an den beiden

4 Praktikum Tei A und B 1a. WANDRUNGSGSCHWINDIGKIT Stand 11/0/01 ndpunkten der Messstrecke immer die geiche Stee innerhab der Grenzschicht zur Messung herangezogen wird.. Orientieren Sie sich über: ektrische Leitfähigkeit Ionenbewegichkeit im eektrischen Fed Faradaysche Gesetze Viskosität von Füssigkeiten. Literatur Atkins P.W. Weder G. Physikaischen Chemie,. Auf. Kap. 1..: Leitfähigkeit von ektroytösungen Lehrbuch der Physikaischen Chemie, 5. Auf. Kap. 1.6: inführung in die ektrochemie Hamann C.H, Viestich W. ektrochemie, Kap Aufgabe s ist die Wanderungsgeschwindigkeit des PermanganatIons zu messen. Daraus sind die Ionenbewegichkeit u, die moare Ioneneitfähigkeit λ und der Ionenradius r hyd zu bestimmen. 6. Versuchsdurchführung Man füt das Uförmige ektroysiergefäß zunächst bis etwa zur Häfte mit 0.00 n K Lösung. Diese unterschichtet man dann angsam durch sehr vorsichtiges Öffnen des Hahnes mit der im Trichter befindichen K Lösung. Die Schichtgrenzen müssen sich dabei mögichst scharf ausbiden. Nach Anegen einer Geichspannung von 110V wird die eine Grenzschicht sich heben (weche?), die andere sich senken. Man iest 0 min ang ae 5 min die Verschiebungen ab und bidet deren Mittewert. Schießich misst man mit Hife eines entsprechend gebogenen Drahtes außen am Gefäß den Abstand d der ektroden voneinander.

5 Praktikum Tei A und B 1a. WANDRUNGSGSCHWINDIGKIT Stand 11/0/01 7. Auswertung Aus den beobachteten Verschiebungen werden die Wanderungsgeschwindigkeiten v berechnet. Aus diesen 8 Werten wird nun die mittere Wanderungsgeschwindigkeit v bestimmt. Daraus assen sich mit Hife der angegebenen Formen die zu bestimmenden Größen errechnen (ementaradung e C, Viskosität des Wassers η 10 Pa s). Der Feher für die mittere Wanderungsgeschwindigkeit ergibt sich nach rmittung der Standardabweichung Δv, ausgehend von den 8 einzenen Wanderungsgeschwindigkeiten. Feher für die Ionenbewegichkeit Δu, die moare Ioneneitfähigkeit Δλ und den Ionenradius Δr hyd berechnen sich mit Hife des Feherfortpfanzungsgesetzes u u Δ u Δ v + Δd v d d, ϕ v, ϕ Hierbei wurde angenommen, dass die verschiedenen Feherqueen unkorreiert sind. Δd beschreibt den mitteren Feher bei der Messung der Drahtänge. Weiterhin git λ Δλ Δu, u rhyd Δ rhyd Δu u 8. Wichtige Hinweise Die ektroden sind zunächst auf die Apparatur aufzustecken, bevor sie mit den Poen der Spannungsquee (Vorsicht!!! 110 V Geichstrom) verbunden werden. Bei der Poung ist zu beachten, dass die ektrode auf der Seite der ungünstiger ausgebideten Grenzschicht mit (+) verbunden sein sote. Nach Beendigung der Messung ist zunächst die Spannungsquee auszuschaten! (T AUS, roter Knopf) 9. R/S Sätze der verwendeten Chemikaien K Lösung: R: 5 Giftig für Wasserorganismen 5 Kann in Gewässern ängerfristig schädiche Wirkungen haben S: 61 Freisetzung in die Umwet vermeiden 5