Physikalische Chemie

Physikalische Chemie
LD
Handblätter
Chemie
Elektrochemie
Leitfähigkeit und Ionen
C4.4.1.7
Leitfähigkeit von Lösungen
Zeitbedarf: 45 min
Versuchsziele
 Erkennen, dass für die Stromleitung in Lösung sind Ionen notwendig sind.
 Zeigen, dass reines Wasser den Strom nicht leitet.
 Zeigen, dass viele Organische Lösemittel den Strom ebenfalls nicht leiten.
 Ionen als Ladungstransporter definieren.
 Grundlagen von Elektrolyten und Dissoziation
 Definition von schwachen Elektrolyten
Stromstärke gemessen. Zum anderen soll über die Bewegung
des Motors gezeigt werden, ob der elektrische Strom in diesem
System fließt oder nicht. Darüber hinaus soll eine semiquantitative Aussage über die Elektrolyteigenschaften der Lösung
getroffen werden
Grundlagen
Im Gegensatz zu Feststoffen, bei denen der Stromtransport
über Elektronen erfolgt (Leiter 1. Ordnung), ist bei
Flüssigkeiten nur ein Ladungstransport über Ionen möglich
(Leiter 2. Ordnung). Ionen können bereits in einer Flüssigkeit
vorhanden sein oder durch Auflösen eines Stoffes in das
Lösungsmittel eingebracht werden.
Je mehr geladene Teilchen vorliegen, desto größer ist generell
die Leitfähigkeit. Aufgelöste Stoffe, die jedoch nicht in Ionen
zerfallen, z.B. Zucker, erhöhen die Leitfähigkeit einer Lösung
jedoch nicht. Gleiches gilt für nicht vollständig dissoziierte
Stoffe wie z.B. Essigsäure. Auch hier trägt ein großer Teil der
Essigsäure-Moleküle nicht zur Leitfähigkeit bei.
Weiterhin hängt die Leitfähigkeit von der Beweglichkeit der
gelösten Teilchen ab.
In diesem Versuch werden verschiedene wässrige Flüssigkeiten auf ihre Leitfähigkeit hin getestet. Dabei wird zum einen die
Gefährdungsbeurteilung
ACHTUNG! Keine höhere Spannung wählen, da sonst die maximal zulässige Stromstärke von 2000 mA überschritten wird
und ein Kurzschluss entstehen kann.
Elektroden nicht zusammenführen.
Beim Arbeiten mit Säuren und Laugen: Schutzbrille und
Schutzkittel tragen.
Ammoniaklösung, 2 mol/l
Gefahrenhinweise
H318 Verursacht schwere Augenschäden
H318 Verursacht Hautreizungen
Sicherheitshinweise
P280
Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augen
schutz/Gesichtsschutz tragen.
Signalwort:
Achtung
P305+P351+P338 BEI KONTAKT MIT
DEN AUGEN: Einige Minuten lang
behutsam mit Wasser spülen. Eventuell
vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit
entfernen. Weiter spülen.
P310
Sofort
GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen.
AA-2016-04
P302+P352 BEI BERÜHRUNG MIT DER
HAUT: Mit viel Wasser waschen.
P362 Kontaminierte Kleidung ausziehen
und vor erneutem Tragen waschen.
P332+P313 Bei Hautreizung: Ärztlichen
Rat einholen/ärztliche Hilfe hinzuziehen.
Abb.1: Versuchsaufbau und Materialien.
1
C4.4.1.7
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Natronlauge 0,1 mol/l
Gefahrenhinweise
H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv
sein.
Sicherheitshinweise
Signalwort:
Achtung
P390 Verschüttete Mengen aufnehmen, um
Materialschäden zu vermeiden.
Salzsäure 0,1 mol/l
Gefahrenhinweise
H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv
sein.
Signalwort:
Achtung
Sicherheitshinweise
P390 Verschüttete Mengen aufnehmen, um
Materialschäden zu vermeiden.
Abb. 2: Skizze des Demonstrationsgeräts.
M
V
A
N
Geräte und Chemikalien
1
1
1
1
2
2
2
1
4
4
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
Halbzellen (1 Trog) .................................. aus 664 401
Nickelelektroden ...................................... aus 664 401
Experimentierkabel 25 cm ....................... aus 664 401
Auffangschalen ........................................ aus 664 401
Pasteurpipetten .............................................. 665 950
Gummikappen................................................ 665 954
Wasser, rein, 1l .............................................. 675 3400
Ammoniaklösung, verd. 2 mol/l, 500 ml ......... 670 3650
Essigsäure verd. 0,1 mol/l, 1 l ........................ 671 9570
Salzsäure, verdünnt, 0,1 mol/l, 1l ................... 674 6960
Natronlauge, verdünnt, 0,1 mol/l, 500 ml ....... 673 8410
Natriumchlorid, 500 g ..................................... 673 5710
Saccharose, 250 g ......................................... 674 6060
+
10 V =
Zelltrog
Abb. 3: Schaltung des Versuchs.
Die angegebene Stromstärke tabellarisch notieren und
notieren ob sich der Elektromotor einschaltet oder nicht. Nach
Beeindigung des Versuchs den Zelltrog, sowie die Elektroden
mit dest. Wasser gründlich ausspülen.
Nun analog mit den restlichen Lösungen vorgehen.
0. Leitungswasser
1. Destilliertes Wasser
2. Ethanol
3. Dest. Wasser + 2 ml verdünnte Essigsäure
4. Dest. Wasser + 2 ml verünnte Ammoniaklösung
5. Dest. Wasser + Spatelspitze Haushaltszucker
6. Dest. Wasser + 2 mL verdünnte Salzsäure
7. Dest. Wasser + 2 mL verdünnte Natronlauge
8. Dest. Wasser + 1 Spatelspitze Kochsalz (NaCl)
Nach
Beendigung
des
Versuchs
zunächst
Demonstrationsgerät ausschalten.
Versuchsaufbau und -vorbereitung
Versuchsvorbereitung
Jeweils zwei Halbzellenblöcke werden zu einem Zelltrog
zusammengesetzt.
In die beiden äußersten Nuten des Zelltrogs je eine NickelElektrode einsetzen. Anschließend den so vorbereitete
Zelltrog mit der Auffangschale auf das Tablett des
Demonstrationsgerätes setzen. Je eine Ausgangsbuchse des
Netzteils (5) über eine Abgreifklemme mit einer NickelElektrode verbinden. Am Netzteil den Kippschalter (2) in
Stellung AC (Wechselstrom) bringen, ebenso den Kippschalter
am Messgerät (8). Die Messanzeige des Netzteils einschalten
(Umschalter (6)) (vgl. Abb. 2).
das
Versuchsdurchführung
Beobachtung
Vor der Messung Leitungswasser bis etwa zur 2-cm-Marke des
Zelltrogs einfüllen. An den äußeren Nuten jeweils eine
Nickelelektrode einstecken.
Nachfolgende Tabelle 1 beinhaltet die im Experiment
erhaltenen Stromstärken und Beobachtungen.
Nun die Elektroden mit dem Demonstrationsgerät, wie in
Abb. 3 erläutert, verbinden. Nachdem das Gerät eingeschalten
ist, eine Spannung von 10 V mit Hilfe des Drehreglers
einstellen. Auf ein Nachregulieren der Wechselspannung auf
10 V vor jeder Messung kann verzichtet werden.
2
C4.4.1.7
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Tab.1: Angezeigte Stromstärke und Reaktion des Elektromotors.
Flüssigkeit
Stromstärke
[mA]
Motor
0
1
Leitungswasser
Wasser, rein
3,8
0
gering
aus
2
3
4
5
6
7
8
Ethanol
Essigsäure
Ammoniaklösung
Saccharose-Lösung
Salzsäure
Natronlauge
Kochsalz-Lösung
0
2,8
2,2
0
26,8
47,2
42
aus
aus
aus
aus
stark
sehr stark
sehr stark
Auswertung
In diesem Versuch werden Nichtelektrolyte, schwache Elektrolyten und starke Elektrolyte auf ihre Fähigkeit untersucht
elektrischen Strom zu leiten. Man kann die erhaltenen Messwerte in 3 Gruppen einteilen.
Gruppe 1: Flüssigkeiten, bei denen der Motor sich nicht dreht
und keine Stromstärke gemessen wird. Darunter fallen Wasser, Ethanol und Saccharose-Lösung.
Gruppe 2: Flüssigkeiten, bei denen sich der Motor auch nicht
dreht, die aber geringe Stromstärken anzeigen. Darunter fallen
Leitungswasser, Essigsäure und Ammoniaklösung.
Gruppe 3: Flüssigkeiten, bei denen sich der Motor dreht und
die große Stromstärken anzeigen. Darunter fallen Salzsäure,
Natronlauge und Kochsalz-Lösung.
Ergebnis
Generell werden Elektrolyten in diese drei Kategorien eingeteilt.
1. Nicht-leitende Flüssigkeiten (Nichtelektrolyten)
Hierunter werden Flüssigkeiten bezeichnet, die keinerlei Ionen
oder andere Ladungsträger beinhalten.
Die Flüssigkeiten weisen keine Ionen auf (z.B. in Benzin,
Hexan, Saccharose-Lösung) oder die Anzahl der Ionen ist zu
gering (Ethanol), um eine messbare Leitfähigkeit zu bewirken.
In H2O (rein) ist nur jedes 55 5555 5555 5555 55-ste Molekül
dissoziiert! Und da Wasser größtenteils undissoziiert (also
nicht als Hydroxid- und Oxoniumionen) vorliegt, können
elektrische Ladungen kaum durch die Flüssigkeit transportiert
werden.
2. Schwach-leitende Flüssigkeiten (schwache Elektrolyten)
Unter schwache Elektrolyten werden Flüssigkeiten bezeichnet,
die den elektrischen Strom nur sehr mäßig mit Strömen von 110 mA leiten können.
Leitungswasser (aber auch schwache Säuren und Laugen wie
Essigsäure und Ammoniaklösungen) sind solche schwachen
Elektrolyte.
Diese Flüssigkeiten besitzen entweder einen gewissen Gehalt
an Ionen durch Spuren gelöster Salze (Leitungswasser mit
Calcium und Magnesium, sowie anderen Ionen) oder es
handelt sich um schwach dissoziierte Säuren und Laugen. Nun
wird es möglich, einen Strom durch diese Flüssigkeit zu leiten.
Grund hierfür ist das Vorhandensein, von verschiedenen
Ladungen in der Flüssigkeit, die durch die gelösten Salze bei
Leitungswasser hervorgerugen werden. Bei einer Dissoziation
entstehen zugleich Anionen und Kation, die verschieden
geladen sind und sich somit zur Anode bzw. Kathode
bewegen.
3. Stark-leitende Flüssigkeiten (starke Elektrolyten)
Unter starken Elektrolyten werden Flüssigkeiten beizeichnet,
die den elektrischen Strom gut bis sehr gut mit Strömen von
>10 mA leiten können.
Starke Säuren und Laugen (wie Salzsäure und Natronlauge)
aber auch gelöste Salze (wie Kochsalz, Pökelsalz,
(Chile)Salpeter) bezeichnen solche starken Elektrolyte.
Diese Flüssigkeiten besitzen entweder einen gewissen Gehalt
an Ionen durch gelöste Salze oder es handelt sich um stark
dissoziierte Säuren und Laugen. Nun wird es möglich, Strom
durch diese Flüssigkeit zu leiten. Grund hierfür ist das
Vorhandensein von verschiedenen Ladungen in der
Flüssigkeit, die durch die gelösten Salze (NaCl, KNO3, etc.) im
destiliertem Wasser hervorgerufen werden. Bei einer
Dissoziation einer Säure bzw. Lauge entstehen zugleich
Anionen und Kation, die verschieden geladen sind und sich
somit zur Anode bzw. Kathode bewegen (schneller als bei
schwachen Elektrolyten).
Je stärker der Dissoziationsgrad ist, desto größer ist die
Leitfähigkeit der Flüssigkeit.Deshalb kann die Leitfähigkeit als
Maß für Konzentration und Dissoziationsgrad sowie als Maß
zur Unterscheidung von Elektrolyten verwendet werden, z.B.
für die Bestimmung des Salzgehaltes von Gewässern oder Mineralwassern etc.
Reinigung und Entsorgung
Sämtliche Lösungen können problemlos mit viel Wasser im
Ausguss entsorgt werden. Elektroden und Halbzellenblöcke
abspülen und gründlich trocknen.
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