Ines Caspers, 25.11.2008 Aussbildungsseminar: Elektrodynamik im 19. Jahrhundert Die Faradayschen Gesetze zur Elektrolyse 1. Michael Faradays Werdegang geboren am 22. September 1791 im Westen Londons als Sohn eines Schmiedes elementare Schulbildung mit anschließender Lehre zum Buchbinder 1813 Anstellung an der Royal Institution of London als Humphry Davys Laborassistent Mitarbeit am wissenschaftlichen Hausjournal und Bekanntschaft mit verschiedenen Forschern 1821 Beförderung zum Hausverwalter der Royal Institution; Erhalt einer neuen Wohnung und anschließende Heirat mit Sarah Barnard Beitritt zur religiösen Sekte der Sandemanier 1821 Entdeckung der elektromagnetischen Rotation 1823 Entdeckung der Verflüssigung von Gasen 1823 Mitglied der Académie des Sciences 1824 Mitglied der Royal Society 1825 Direktor des Labors der Royal Institution ab 1827 begann er immer mehr öffentliche Vorträge zu halten 1832 Formulierung der Elektrolysegesetze 1833 Berufung auf eine Stiftungsprofessur in Chemie gestorben am 25. August 1867 Beerdigung auf dem Highgate Cemetery Weitere Informationen zu Faradays Person: er hielt unter anderem auch Vorträge für Kinder und Jugendliche (The Chemical History of a Candle) zu seinen Zuhörern gehörten auch Mitglieder des britischen Königshauses; er war von 1991 bis 2001 auf einer Banknote, der britischen 20 -Note, abgebildet er grenzte sich im privaten Bereich von der gehobenen Mittel- und Oberschicht ab und verbrachte diese Zeit hauptsächlich mit Angehörigen der Sandemanischen Sekte zwei Einheiten wurden nach ihm benannt: Farad (elektrische Kapazität) und Faraday (Einheit aus der Elektrolyse) - 1 -
2. Faradays Veröffentlichungen und ein Überblick über sein Schaffen und seine Forschungen 1820 führte Ørsteds Entdeckung des Elektromagnetismus zu einer Welle von Forschungsarbeiten 1821 begann auch Faraday sich dem Elektromagnetismus zu widmen und entdeckte die erste elektromagnetische Rotationsbewegung 1831 entdeckte Faraday den Induktionseffekt 1832/33 formulierte er die Gesetze der Elektrolyse 1845 entdeckte er den Faraday-Effekt Faraday begann dann seine Resultate zu veröffentlichen. Seine bedeutendsten Aufsätze fasste er unter dem Haupttitel Experimental Researches in Electricity (ERE) in Buchform zusammen. Sie umfasst drei Bände, die 1839, 1844 und 1855 erschienen sind und verschiedene Themen beinhalten (z.b. elektromagnetischer Induktionseffekt, Leitungsvorgänge, elektrochemische Zersetzung, Selbstinduktionseffekte, Elektrostatik, magneto-optischen Effekt, Diamagnetismus,...) 3. Faradays Arbeitsweise er arbeitete ausgesprochen qualitativ, da er stets viel Wert auf umfangreiche aber einfache Experimente legte zog seine Resultate aus eigener breiter Erfahrung führte stets ein vorbildliches Labortagebuch er arbeitete bis auf einen technischen Mitarbeiter stets alleine er zeigte den Mut, Begriffe neu zu bilden und zu suchen zeigte sich bei der Mathematisierung zurückhaltend er legte viel Wert auf allgemeine Gesetze er gab bei der Wahl der Forschungsarbeiten seiner persönlichen Karriere wenig Gewicht 4. Reaktionen anderer auf Faraday einerseits positive Reaktionen und schnelle Akzeptanz vieler experimenteller Entdeckungen, zum Beispiel auch der Elektrolysegesetze andererseits negative Reaktionen auf seine Veränderungen in den Begrifflichkeiten - 2 -
5. Elektrolyse Elektrolyse ist die Aufspaltung einer chemischen Verbindung unter Einwirkung von elektrischen Strom; hierbei wird elektrische in chemische Energie umgewandelt Prinzip: In eine stromleitende Flüssigkeit (Elektrolyt) werden zwei Elektroden getaucht, wodurch in der Flüssigkeit Spannung angelegt wird. Die Ionen (Ladungsträger in einem Elektrolyt) wandern jeweils an die entgegengesetzt geladene Elektrode. Das heißt die negativen Anionen wandern zur positiven Anode und die positiven Kationen zur negativen Kathode. am Beispiel Wasser: Durch das Hinzufügen von Verunreinigungen wird Wasser leitend. Dieses Elektrolyt kann zur Elektrolyse verwendet werden. Die sich im Wasser bewegenden positiv geladenen Wasserstoffionen H+ wandern zur negativen Elektrode (Kathode). Dort nehmen sie jeweils ein Elektron auf und es entsteht ein neutrales Wasserstoffatom H. Zwei Wasserstoffatome verbinden sich zu molekularem Wasserstoff H 2, dem Endprodukt dieser Reaktion. Die negativ geladenen Hydroxid-Ionen bewegen sich zur positiv geladenen Elektrode (Anode) hin. Dort entsteht freier Sauerstoff O und ein positives Wasserstoffion H+, welches wieder zur Kathode gezogen wird. Der neutrale Sauerstoff verbindet sich mit mit einem zweiten zu molekularem Sauerstoff O 2, dem Endprodukt dieser Reaktion. - 3 -
6. Faradays Arbeiten in der Elektrochemie Faradayschen Gesetze zur Elektrolyse nachdem er sich mit elektrischer Leitfähigkeit beschäftigt hatte, begann er sich für die elektrochemische Zersetzung zu interessieren er begann ausführliche Experimente durchzuführen und die Ergebnisse von Grotthus und Davy, die sich bereits Jahre zuvor mit Experimenten und Theorien zur Elektrolyse beschäftigt hatten, zu studieren insbesondere untersuchte er die Kontaktfläche von Metall und Flüssigkeit, an der die Gasbildung stattfand während seiner Forschungen begann er neue Begriffe zu formulieren: Elektroden, Anode, Kathode, Elektrolyte, Ionen, Anionen, Kationen 1832 formulierte er die beiden nach ihm benannten Gesetze der Elektrolyse, die Faradayschen Gesetze: 1. Die Menge des zersetzten Stoffes hängt nur von der Menge des durchgegangen Stromes ab 2. Die von gleichen Elektrizitätsmengen abgeschiedenen Stoffe sind einander chemisch äquivalent In einer moderneren Formulierung: 1. Die Stoffmenge n bzw. die Masse m eines Stoffes, die an einer Elektrode während der Elektrolyse abgeschieden wird, ist proportional zur Ladung Q, die durch den Elektrolyten geschickt wird: m ~ Q, wobei Q = I t (konstante Stromstärke I, Elektrolysezeit t). 2. Die durch die gleiche Elektrizitätsmenge Q in Elektrolytlösungen erzeugten Stoffmengen unterschiedlicher Stoffe sind chemisch äquivalent, d.h. eine gleiche Ladungsmenge scheidet aus verschiedenen Elektrolyten stets gleiche Äquivalentmassen der Stoffe ab. Um eine beliebige Stoffmenge n eines z-wertigen Ions elektrolytisch abzuscheiden, benötigt man die Ladung Q = n z F (6.1), mit Ladungszahl z und Faradaykonstante F. Die Faradaykonstante F = 96485 Coulomb/mol ist das Produkt aus Avogadro- Konstante N und Elementarladung e 0. Sie ist also die Ladungsmenge, die benötigt wird, um ein Mol eines einwertigen Ions abzuscheiden. Für die Masse eines Stoffes gilt: m = M n (6.2), mit der molaren Masse M. Aus (6.1) und (6.2) folgt dann für die Ladung Q, die benötigt wird, um eine bestimmte Masse m des Stoffes durch Elektrolyse abzuscheiden: Q= m z F M (6.3) - 4 -
7. Anwendungen in der Vergangenheit und heute Gebrauch der Gesetze als weiteren Beweis der Atomtheorie Bestimmung relativer Molmassen und Ladungszahlen in der Galvanik erlauben die Faradayschen Gesetze bei bekannter Oberfläche A eines Werkstücks eine Abschätzung der Schichtdicke d: die Definition von Dichte besagt: = m V = m da unter Berücksichtigung von Formel (6.3) folgt dann: d = M Q z A F = M I t z A F Heute: Elektrolyse zur Stoffgewinnung (Aluminium, Magnesium, Kupfer, Silber, Gold,...) Raffination, Reinigung und Trennung von Metallen Wasserzerlegung (Gewinnung von Wasserstoff als Energielieferant) Abwasserreinigung Ausblick: Neben erneuerbaren Energien ist die Elektrolyse ein Verfahren um langfristig ausreichend Energie zu erzeugen, wenn endliche Rohstoffreserven wie Erdöl oder Erdgas erschöpft wären. - 5 -