mit dem Demogerät Elektrochemie

Physikalische Chemie
LD
Handblätter
Chemie
Elektrochemie
Elektrochemische Potentiale
C4.4.4.7a
Aufnahme von Kennlinien eines
Daniell-Elements
mit dem Demogerät Elektrochemie
Zeitbedarf: 30 min
Versuchsziele
 Ein galvanisches Element aufbauen.
 Mit Hilfe eines variablen Widerstands eine Belastungskennlinie aufnehmen
 Aus der Belastungskennlinie die Leistungskennlinie berechnen.
Reale Spannungsquellen
Grundlagen
Die reale Spannungsquelle beschreibt eine Spannungsquelle,
bei welcher die Ausgangspannung sich mit zunehmende Belastungsstrom verringert. Der Spannungsverlust entsteht
durch Widerstände und den Aufbau der Spannungsquelle.
Häufig wird auch von Innerwiderstand gesprochen.
In der Elektrotechnik kann man mindestens zwei Arten von
Spannungsquellen unterschieden.
Ideale Spannungsquellen
Die ideale Spannungsquelle beschreibt eine Spannungsquelle, bei welcher die Ausgangsspannung sich nicht verringert, gleichgültig wie groß der austretende Strom wird. Theoretisch könnte dadurch ein unendlich hoher Strom gewonnen
werden. Die Ausgangspannung bei idealen Spannungsquellen
wird häufig auch Konstantspannungsquelle bezeichnet. Die
ideale Spannungsquelle ist lediglich ein Modell, da der Innenwiderstand bei solchen Quellen gleich null ist.
Bei einem galvanischen Element handelt es sich um eine reale
Spannungsquelle. Grund hierfür ist der in Versuch C4.4.4.5
besprochene Innenwiderstand einer galvanischen Zelle. Dieser kann durch Verringerung des Elektrodenabstands minimiert werden, jedoch nicht gleich null werden.
Belastungskennlinien und Leistungskurven zeigen charakteristische Eigenschaften für galvanische Elemente und andere
stromerzeugende Elementen wie Brennstoffzellen oder Solarzellen. Eine Belastungskennlinie oder Spannungskennlinie beschreibt den funktionalen Zusammenhang zwischen der Spannung und den sogenannten Laststrom. Die Leistungskurve beschreibt die erbrachte Leistung eines Systems bei Entnahme
eines elektrischen Stroms.
In diesem Versuch werden Belastungskennlinie und Leistungskurve eines Daniell-Elements aufgenommen.
Gefährdungsbeurteilung
ACHTUNG: Zinksulfat ist augenschädigend. Stets mit Schutzkittel und Schutzbrille arbeiten. Hautkontakt vermeiden.
Kupfer- und Zinksulfatlösungen nicht im Ausguss entsorgen.
Zinksulfat-Lösung, 1 mol/l
Gefahrenhinweise:
H318 Verursacht schwere Augenschäden
H411 Giftig für Wasserorganismen, mit
langfristiger Wirkung.
Sicherheitshinweise:
P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
AA-2016-06
P280 Augenschutz tragen
Signalwort:
Gefahr
Abb.1: Versuchsaufbau und Verschaltung.
1
P305+351+338 BEI KONTAKT MIT DEN
AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit
Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.
P313 Ärztlichen Rat einholen.
C4.4.4.7a
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Am Demonstrationsgerät Umschalter (6) auf externe Stromquelle umstellen. Umschalter (8) an der Anzeige auf Gleichstrom DC umstellen. Umschalter (15) an die Messung anpassen (siehe Abb. 3).
Kupfersulfat-Lösung, 1 mol/l
Gefahrenhinweise
H411 Giftig für Wasserorganismen, mit
langfristiger Wirkung.
Mit Hilfe von zwei Experimentierkabeln mit Abgreifklemmen
die beiden Elektroden der Zelle mit dem Eingang (12) des Voltmeters verbinden. Zusätzlich über die Anschlüsse (7) am Amperemeter verbinden. Umschalter (11) anpassen (200 mA genügen). Die Kupfer-Elektrode wie in Abbildung 3 mit dem Belastungselement (Widerstandsmodul) verbinden. Das Belastungselement wird über Anschluss (7) mit dem Amperemeter
verbunden (siehe Abb. 3 und 4).
Sicherheitshinweise
P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
Signalwort:
Achtung
M
Geräte und Chemikalien
1
1
1
1
1
1
2
2
4
6
1
1
1
1
1
1
1
1
Demonstrationsgerät Elektrochemie, CPS..... 664 4071
Profilrahmen C50, zweizeilig CPS ................. 666 425
Tisch zur Elektrochemie, CPS ....................... 666 472
Elektrochemie Zubehör-Set ........................... 664 401
Widerstandsmoduls auf Blendschirm ............. 458 120
Zelltrog ........................................................... aus 664 401
Auffangschale ................................................ aus 664 401
Papierdiaphragma.......................................... aus 664 401
Abgreifklemmen ............................................. aus 664 401
Experimentierkabel ........................................ aus 664 401
Zink-Elektrode ................................................ aus 664 401
Kupferelektrode.............................................. aus 664 401
Messzylinder, 100 ml ..................................... 665 754
Becherglas, 600 ml ........................................ 664 132
Wasser, rein, 1l .............................................. 675 3400
Kupfersulfatlösung, ca. 1 mol/l ....................... 672 9660
Zinksulfat-Lösung, 1 mol/l .............................. 675 5510
Natronlauge, 0,1 mol/l .................................... 673 8411
V
A
N
+
Zink||Kupfer
Abb. 4: Schaltung des Versuchs.
Versuchsdurchführung
In die Zink-Halbzelle die Zinksulfat-Lösung einfüllen. Direkt die
Kupfersulfat-Lösung in die Kupfer-Halbzelle einfüllen. Messanzeigen beobachten und Messwerte notieren. Das Belastungselement wird nur während der Messzeit angeschlossen, um
die galvanische Zelle nicht zu überlasten.
Zunächst wird die Spannung des unbelasteten Elements abgelesen und notiert. Dann wird die Verbindung vom Belastungselement zum Amperemeter hergestellt und die beiden
Regler (Grob- und Feineinstellung) auf maximalen Widerstand
eingestellt, sodass nur minimaler Strom fließt. Die Werte werden notiert.
Versuchsaufbau und -vorbereitung
Versuchsaufbau
Die Auffangschale mittig auf den Tisch zur Elektrochemie stellen. Die beiden Halbzellblöcke mit den Schrauben fixieren, sodass ein etwa 0,5 cm breiter Spalt offen bleibt. In diesen Spalt
nun zwei übereinandergelegte Papierdiaphragmen legen und
die beiden Halbzellen feste mit den Schrauben verschließen.
Der Zelltrog sollte nun dicht sein. In einem Abstand von 3 cm
jeweils eine Zink- und eine Kupfer-Elektrode einsetzen (vgl.
Abb. 2).
Durch Verändern des Widerstandes (zunächst mit Hilfe der
Grobregelung, später mit Feinregelung) wird der Stromfluss
um jeweils 5 mA erhöht und wieder die Spannung und Stromstärke notiert. Wenn sich die Stromstärke nicht mehr erhöhen
lässt, wird die Messung beendet. Die Zellen in einem Becherglas (mind. 500 ml) entleeren und den Zelltrog gründlich ausspülen.
Versuchsvorbereitung
Beobachtung
Es werden jeweils Lösungen mit der Konzentration 1 mol/l benötigt. Für jede Halbzelle werden ca. 80 ml Lösung benötigt.
Mit abnehmender Belastung erhöht sich die Stromstärke. In
der Zink-Halbzelle ist ein dunkler Niederschlag zu erkennen.
Auswertung
Tabelle 1 enthält die experimentell beobachteten Werte.
Die erhaltenen Spannungswerte werden in Abhängigkeit von
der Stromstärke in ein Koordinatensystem eingetragen (siehe
Abb. 5). Zusätzlich kann die Leistung P mit I
𝑃 =𝑈⋅𝐼
berechnet und ebenfalls in die Grafik eingefügt werden (siehe
Abb. 5).
Abb. 3: Skizze Demonstrationsgerät.
2
C4.4.4.7a
LD Handblätter Chemie
Nr.
Spannung U
[mV]
Stromstärke I
[mA]
Leistung P
[mW]
1
1045
0,08
0,083
2
1003
10,1
10,1
3
981
15
14,7
4
953
20
19,1
5
925
25
23,1
6
896
30
26,9
7
865
35
30,3
8
833
40
33,3
9
802
45
36,1
10
777
50
38,9
11
744
55
40,9
12
717
60
43,0
13
691
65
44,9
optimalen Arbeitswiderstand nach dem Ohm’schen-Gesetz
von
𝑈 0,515 𝑉
𝑅= =
= 5,15 Ω
𝐼
0,1 𝐴
Vergrößert man den Elektrodenabstand, so würde sich auch
der Wert vergrößern, da der Innenwiderstand der Zelle zunimmt. Die Leistung ist dann am größten, wenn der Innenwiderstand der Stromquelle und der Widerstand des Verbrauchers in etwa gleich sind.
Darüber hinaus sinkt die Leistung, da auch die Spannung linear fällt. Fällt die Spannung auf 0 ab, so handelt es sich um
einen Kurzschluss. Die Funktionen wurden hier, da kein Kurzschluss erreicht werden konnte, durch eine Regression angepasst.
Kennlinie und Leistungskurve
1200
60
1000
50
Spannung [mV]
Tab. 1: Beobachtete und berechnete Werte. Wirkleistung P wurde wie
unten gezeigt berechnet, 1 mol/l; Elektrodenabstand 3 cm.
800
14
666
70
46,6
15
639
75
47,9
16
587
85
49,9
17
563
90
50,7
18
538
95
51,1
19
515
100
51,5
0
20
489
105
51,3
-200
21
466
110
51,3
22
439
115
50,5
23
415
120
49,8
24
389
125
48,6
25
366
130
47,6
26
341
135
46,0
27
316
140
44,2
28
291
145
42,2
29
266
150
39,9
30
241
155
37,4
31
213
160
34,1
32
195
165
32,2
33
164
170
27,9
34
145
175
25,4
Reinigung und Entsorgung
35
122
180
21,9
36
93
185
17,2
37
70
190
13,3
Lösungen in einem Becherglas, 500 ml, sammeln und mit verdünnter NaOH-Lösung versetzen. Es fällt ein schwarzer Feststoff aus, welcher unlöslich scheint. Diesen über einen Faltenfilter abfiltrieren und die Mutterlauge nochmals mit NaOH versetzen. Fällt kein schwarzer Niederschlag mehr aus, kann die
Mutterlauge in den Ausguss entsorgt werden. Den Filter im Abzug trocknen lassen und dann kann in den anorganischen
Feststoffabfall entsorgt werden.
Ergebnis
Die Spannung hängt linear von der Stromstärke ab. Je höher
die entnommene Stromstärke, desto geringer ist die Spannung
des Daniell-Elements.
40
600
30
400
200
20
Spannung
Wirkleistung
0
50
10
100
150
Stromstärke [mA]
200
0
Kurzschluss
Abb. 5: Belastungskennlinie und Leistungskurve eines Daniell-Elements.
Weiteres
Beim schwarzen Niederschlag handelt es sich um fein verteiltes Kupfer. Einige Cu-II-Ionen konnten durch das Diaphragma
diffundieren und wurden in der Zink-Halbzelle zu elementarem
Kupfer reduziert. Als Nachweis kann man den schwarzen Niederschlag in konz. Salpetersäure lösen und zu einer Ammoniak-Lösung geben. Es bildet sich schlagartig eine tiefblaue
Lösung. Dies deutet auf den stabileren Kupfertetrammin-Komplex.
Reaktion:
Cu° + HNO3 → CuII(NO3)2 + 6 NH3 → CuII(NH3)4 + 2 NO3-
Zn2+/Cu2+
+
NaOH

Zn(OH)2
+
Cu(OH)2
+
Na+
Die Leistung nimmt mit zunehmender Stromstärke zu, bis ein
Maximum bei etwa 100 mA erreicht ist. Dies entspricht einem
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