Stromtransport in Flüssigkeiten
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Stromtransport in Flüssigkeiten Elektrolytische Leitung Inhalt • • • • • Elektrolyse Faradaysche Gesetze Elektrophorese Elektrochemische Spannungsreihe Galvanische Elemente Elektrolytische Leitung • Der Ladungstransport erfolgt durch Ionen, also geladene Atome oder Radikale • Im ungelösten Zustand sind alle Stoffe elektrisch neutral, deshalb ist diese Stromleitung immer mit einer chemischen Zersetzung verbunden • Elektrolyte sind Stoffe, deren Lösungen oder Schmelzen den Strom auf diese Weise leiten • Hydratation: In Salzen, Säuren oder Basen, den Elektrolyten, wird im Wasser die Ionenbindung zugunsten der Anlagerung von Wasserdipolen an die einzelnen Ionen aufgebrochen • Solvatation: Allgemein für die Anlagerung von Lösungsmitteln an Moleküle, Atome, Ionen oder Kolloide Aufbau zur Elektrolyse + Anode Elektrolyt - I Kathode Versuch • Leitung in reinem H2O (nichtleitend), mit Zucker dazu (nichtleitend), mit Salz dazu (leitend) • Leitung im Glasstab. Kalt. Isolator, heiß: leitfähig. Die Beweglichkeit der AlkaliIonen im Glas nimmt mit steigender Temperatur zu. Die Faradayschen Gesetze • Der Ladungstransport ist mit Materialtransport verknüpft – Nicht mit Elektronenbewegung • Die Wertigkeit ist der „Multiplikator“ beim Ladungstransport Q N e z 1 As Zum Abscheiden von N Teilchen eines Stoffes mit Wertigkeit z benötigte Ladung Q N 1 Anzahl der Teilchen z 1 Wertigkeit e = 1,6 10-19 1 As Elementarladung Erstes Faradaysches Gesetz • Ladungstransport und Massentransport m~Q Q I t 1kg Unabhängig von der chemischen Art der Stoffe ist die an den Elektroden abgeschiedene Stoffmasse proportional zur transportierten Ladung 1 C=1 As Transportierte Ladung I 1A Stromstärke t 1s Zeit während des Stromflusses Zweites Faradaysches Gesetz für einwertige Ladungsträger • Ladungstransport bei Transport eines mols eines beliebigen Materials Q NA e 1C Zum Abscheiden eines mols eines einwertigen Stoffes benötigte Ladung Q NA = 6,022 1023 1 1/mol Anzahl der Teilchen F =NA·e= 9.648 104 1 C/mol Faraday-Konstante e = 1,6 10-19 1C Elementarladung Zweites Faradaysches Gesetz für mehrwertige Ladungsträger • Ladungstransport bei Transport eines Ionenäquivalents eines beliebigen Materials 1 Q F * X z F = 9.648 104 1 X * z z* 1C Die zum Abscheiden eines Ionenäquivalents eines Stoffes benötigte Ladung beträgt 9.648 104 C 1 C/mol Faraday-Konstante 1 mol 1 Ein Ionenäquivalent eines Stoffes X der Äquivalentzahl z*: Quotient Stoffmenge durch Wertigkeit Äquivalentzahl z*, das ist bei Ionen die Wertigkeit Zweites Faradaysches Gesetz für mehrwertige Ladungsträger • Ladungstransport bei Transport eines mols eines beliebigen Materials Q NA e z z 1C Zum Abscheiden eines mols eines mehrwertigen Stoffes benötigte Ladung Q 1 Wertigkeit der Ladungsträger NA = 6,022 1023 1 1/mol Anzahl der Teilchen F = 9.648 104 1 C/mol Faraday-Konstante e = 1,6 10-19 1C Elementarladung Versuch: Zwei Ni-Elektroden in CuSO4 Lösung • Es scheidet sich an der Kathode Cu ab: Brauner Niederschlag ist sichtbar. • Strom von 1,5 A liefert 1,5 C/s • 1 Ionenäquivalent Cu2+ sind 64g/2=32g/mol , d.h. um 32 g Cu abzuscheiden werden etwa 105 C benötigt • Im Versuch errechnet sich die Cu Abscheidung pro Sek. aus 105[C] : 32[g] = 1,5[C] : x[g]. Es werden in 1 s bei 1,5 A 0,48 mg Cu abgeschieden Zwei Ni-Elektroden in CuSO4 Lösung Anode Ni Ni Kathode Cu2+ SO42 - Ni2+ Abgeschiedenes Cu Ohmsche Leitung im Elektrolyten • Bei nicht zu hohen Konzentrationen folgt der Widerstand im Elektrolyten dem Ohmschen Gesetz U Kathode, , Fläche A Feldstärke E Geschwindigkeit v+ der Kationen Anode,+, Fläche A Geschwindigkeit vder Anionen Modell: Ionen Bewegung mit viskoser Reibung l 1m Abstand A 1 m2 Fläche der Platten U E l 1 N/C U v E l U v E l , n A I e n z ( ) U l U l 1 R I A n z e ( ) 1 m/s Ansatz für Bewegung im viskosen Medium v~F 1 m/s 1 m2/Vs Beweglichkeiten der Ladungsträger 1 1/m3 Konzentration der Ladungsträger 1A Stromstärke: Produkt aus Ladung, Konz., Wertigkeit z, Geschwindigkeit 1Ω Widerstand nach dem Ohmschen Gesetz Beweglichkeit einiger Ladungsträger Ladungsträger Einheit Elektronen im Metall H+ Zn++ Beweglichkeit μ 10-2 33 10-8 1 1m2/Vs 4,8 10-8 OH- 18,2 10-8 SO4-- 7,1 10-8 Versuch: Widerstand bei Variation der Konzentration • Strom von 1,5 A liefert 1,5 C/s • 1 Ionenäquivalent Cu2+ sind 64g/2=32g/mol, d.h. um 32 g Cu abzuscheiden werden etwa 105 C benötigt • Im Versuch errechnet sich die Cu Abscheidung pro Sek. aus 105[C] : 32[g] = 1,5[C] : x[g]. Es werden in 1 s bei 1,5 A 0,48 mg Cu abgeschieden Elektrophorese • Die Wanderung aufgeladener, suspendierter oder kolloidaler Teilchen in einem elektrischen Feld • Wanderungsgeschwindigkeit proportional zur elektrischen Feldstärke und zur Beweglichkeit der Teilchen • In der Träger-Elektrophorese erhöht ein mit Lösungsmittel getränktes poröses Trägermaterial mit bestimmter Viskosität oder Absorptionseigenschaft die Trennschärfe • Unterschiedliche Teilchen eines Stoffgemisches legen bei unterschiedlicher Beweglichkeit unterschiedliche Wege/Zeit zurück – Als Elektrophorese bezeichnet man auch Lackierverfahren, bei denen wasserlösliche Farben unter Hochspannung auf die in Farb-Bädern liegenden Werkstücke aufgebracht werden Stromtransport, Galvanisches Element Zn Anion der Lösung Cu Cu-Kation aus der Lösung • Strom fließt, wenn bei zwei Elektroden unterschiedlicher Materialien der Elektrolyt Ionen des edleren Metalls enthält Versuch • Cu-Zn Akkumulator . – Zwei Cu Elektroden befinden sich einer ZnSO4 Lösung. Bei der Elektrolyse (Laden der Batterie) scheidet sich an der Kathode Zn ab und Cu geht in Lösung. Die Spannung (der geladenen Batterie) entsteht zwischen der Zn Kathode und der Cu Anode: 0,345-(-0,762)=1,107 V Die Voltasche Spannungsreihe Elektrode Spannungen in Volt Elektrode Spannungen in Volt Li -3,02 Ni -0,25 K -2,92 Pb -0,126 Na -2,71 H2 0 Mg -2,35 Cu 0,345 Zn -0,762 Ag 0,8 Fe -0,44 Hg 0,86 Cd -0,402 Au 1,5 Versuch • Eisenblech wird in Cu-Sulfatlösung verkupfert – Erklärung: Die Eisenionen gehen in Lösung, das Blech lädt sich negativ auf. Die Cu-Ionen werden offenbar „bevorzugt“ von der Elektrode aufgenommen und mit Elektronen versorgt zum Metall rückverwandelt. Spannungen zwischen unterschiedlichen Metallen und dem Elektrolyten • Die in der Spannungsreihe angegebenen Spannungen werden zwischen zwei Elektroden gemessen: • eine mit Wasserstoff umspülte Platin Elektrode • die andere aus dem betreffenden Metall • Der Elektrolyt ist eine Lösung mit einem Mol der betreffenden Metallionen im Liter. Zusammenfassung • Bewegliche Ladungsträger in Flüssigkeiten: Ionen oder Radikale • Elektrolyte sind Stoffe, deren Lösungen oder Schmelzen den Strom auf diese Weise leiten • Die Faradayschen Gesetze verbinden den Ladungs- mit dem Materialtransport • Hydratation: Anlagerung von Wasserdipolen an Ionen • Solvatation: Allgemein für die Anlagerung von Lösungsmitteln an Moleküle, Atome, Ionen oder Kolloide • Voltasche Spannungsreihe: Spannungen unterschiedlicher Metalle gegen eine „Wasserstoff Elektrode“ • Galvanische Elemente: Zwei unterschiedlich „edle“ Metalle in einem Elektrolyten des edleren Metalls: Die Differenz ihrer Spannung gegen die Lösung erscheint an den Elektroden
