Physikalische Chemie

Physikalische Chemie
LD
Handblätter
Chemie
Elektrochemie
Galvanische Elemente
C4.4.4.1a
Das Daniell-Element
Aufbau mit dem Demogerät Elektrochemie
Zeitbedarf: 20 min
Versuchsziele
 Ein galvanisches Element aufbauen.
 Galvanische Elemente und speziell das Daniell-Element als Energieumwandler kennen lernen.
 Messbare Spannung mit Hilfe wässriger Lösungen erzeugen.
 Redoxreaktionen und elektrochemische Spannungsreihe
oder die Ionenbrücke verhindert somit die Diffusion der Elektrolyt-Lösung, nicht aber der der Ionen. Die Elektrolyt-Lösung
besteht für die Zink-Halbzelle aus Zinksulfat und analog für
Kupfer aus Kupfersulfat (vgl. Abb. 2). Sie ist nach John Frederic Daniell benannt und wurde 1836 entwickelt.
Grundlagen
Ein Daniell-Element beschreibt eine historische Galvanische
Zelle. Eine galvanische Zelle beschreibt eine Vorrichtung, die
es ermöglicht aus chemischer Energie elektrische Energie zu
gewinnen. Dabei werden Redoxreaktionen, also Reaktionen
mit Elektronenübertragung eingesetzt. Reduktion und Oxidation der Redoxreaktion sind hier räumlich voneinander getrennt. Eine galvanische Zelle setzt sich aus zwei Halbzellen
zusammen. Dabei besteht jede Halbzelle aus einer Elektrode
und Elektrolytlösung.
Die Spannung oder Potentialdifferenz eines galvanischen Elements wird durch unterschiedliche Elektroden definiert. Verschiedene Metalle besitzen unterschiedliche Redoxpotenziale
und somit auch eine unterschiedliche Abscheidungs- bzw. Lösungstendenz, je nach Charakter des Metalls (edel/unedel).
Die Redoxreaktion für das Daniell-Element sieht folgendermaßen aus.
Oxidation:
Zn → Zn2+ + 2e-
Reduktion:
Cu2+ + 2e- → Cu
Redoxreaktion: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
AA-2016-08
Aus der obigen Gleichung ist zu erkennen, dass elementares
Zink Zn0 zu Zn2+ oxidiert wird und Cu2+ zu elementarem Kupfer
Cu0 reduziert wird. Die von Zink abgegebenen Elektronen können entweder direkt zum Kupfer fließen, wodurch kein Strom
gewonnen werden kann. Trennt man beide Metalle, so können
Elektronen nur über einen Leiter und Verbraucher bzw. Messgerät fließen. So kann elektrische Energie aus einer chemischen Reaktion gewonnen werden.
Abb.1: Versuchsaufbau und Verschaltung.
Abb. 2: Schema eines Daniell-Elements.
Das Daniell-Element besteht aus einer Zink- und einer Kupferhalbzelle. Beide Halbzellen werden räumliche so voneinander getrennt, dass sie sowohl elektrisch leitend durch einen
Elektronenleiter, als auch ionisch leitend durch ein Diaphragma oder Ionenbrücke verbunden sind. Das Diaphragma
In diesem Versuch soll das Daniell-Element mit einer Elektrolytkonzentration von 0,1 mol/l aufgebaut und untersucht werden. Um die Potentialdifferenz sichtbar zu machen, wird an die
Versuchsapparatur ein Elektromotor installiert. Außerdem werden Strom und Spannung gemessen.
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Der Zelltrog sollt nun dicht sein. In die äußersten Nuten jeweils
eine Elektrode einsetzen (vgl. Abb. 2).
Gefährdungsbeurteilung
ACHTUNG: Zinksulfat ist augenschädigend. Stets mit Schutzkittel und Schutzbrille arbeiten. Hautkontakt vermeiden.
Versuchsvorbereitung
Ansetzen der Lösungen: Es werden jeweils Lösungen mit der
Konzentration 0,1 mol/l benötigt. Für jede Halbzelle werden 80
ml Lösung benötigt.
Kupfer- und Zinksulfatlösungen nicht im Ausguss entsorgen.
Den Peleusball auf die Messpipette stecken und zunächst 8 ml
Kupfersulfat (1 mol/l) aufziehen. Diese werden in ein Becherglas, 150 ml, überführt. Zusätzlich werden nun 72 ml Wasser
zugegeben. Analog für die Zinksulfat-Lösung. Vor dem Überführen die Lösungen mit einem Glasrührstab verrühren.
Kupfersulfat-Lösung, 1 mol/l
Gefahrenhinweise
H411 Giftig für Wasserorganismen, mit
langfristiger Wirkung.
Schaltung des Versuchs: 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).
Sicherheitshinweise
P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
Signalwort:
Achtung
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). Den Motor, wie in Abbildung 4 gezeigt, über die Buchsen (17) verbinden.
Zinksulfat-Lösung, 1 mol/l
Gefahrenhinweise:
H318 Verursacht schwere Augenschäden
H411 Giftig für Wasserorganismen, mit
langfristiger Wirkung.
Sicherheitshinweise:
P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
P280 Augenschutz tragen
Signalwort:
Gefahr
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.
Geräte und Chemikalien
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Demonstrationsgerät Elektrochemie, CPS..... 664 4071
Profilrahmen C50, zweizeilig, CPS ................ 666 425
Tisch zur Elektrochemie, CPS ....................... 666 472
Elektrochemie Zubehör-Set ........................... 664 401
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, 150 ml ........................................ 602 023
Becherglas, 600 ml ........................................ 664 132
Glasrührstab ............................................... 665 212ET10
Messpipette, 10 ml ......................................... 665 997
Peleusball ...................................................... 666 003
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
Abb. 3: Skizze Demonstrationsgerät.
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A
N
+
Zink||Kupfer
Versuchsaufbau und -vorbereitung
Versuchsaufbau
Abb. 4: Schaltung des Versuchs.
Die Auffangschale mittig auf den Tisch zur Elektrochemie stellen. Die beiden Halbzellblöcke mit den Schrauben fixieren, sodass ein etwa 0,5 cm breiter Spalt offenbleibt. In diesen Spalt
nun zwei übereinandergelegte Papierdiaphragmen legen und
die beiden Halbzellen fest mit den Schrauben verschließen.
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U = U (Akzeptor-Halbzelle) – U (Donator-Halbzelle)
Versuchsdurchführung
In die Zink-Halbzelle die Zinksulfat-Lösung einfüllen. Direkt die
Kupfersulfat-Lösung in die Kupfer-Halbzelle einfüllen. Messanzeigen beobachten und Messwerte notieren.
Nun den Motor anschließen und Messwerte notieren.
Im Weiteren die Kurzschlussspannung und Kurzschlussstrom
messen. Hierbei den Motor wieder abstecken. Zink in die negativen Buchsen (12) und (7) und Kupfer in die positiven Buchsen (12) und (7) stecken. Spannung und Strom notieren.
Beobachtung
Der Motor dreht sich, sobald er mit dem Daniell-Element verbunden ist.
In den Lösungen ist eine Stoffumsetzung zu vermuten. In der
Zink-Halbzelle ist ein dunkler Niederschlag zu beobachten.
Auswertung
Nachfolgende Tabelle enthält die experimentell beobachteten
Werte.
Tab.1: Gemessene Werte und Beobachtung des Elektromotors.
Messgröße
Daniell-Element
Spannung U
1090 mV
Motor
Läuft
Spannung mit Motorbelastung
380 mV
Stromstärke mit Motorbelastung
8,5 mA
Kurzschlussspannung
26 mV
Kurzschlussstrom
12,1 mA
Ergebnis
Im Ruhezustand kann im galvanischen Element eine Spannung U von 1,09 V gemessen werden. Eine handelsübliche
Batterie weißt etwa 1,5 – 1,8 V auf.
U = U0H (Cu2+/Cu) – U0H (Zn2+/Zn)
= 0,34 V – (- 0,76 V) = 1,10 V.
Der gemessene Wert stimmt mit guter Näherung mit dem theoretischen Wert überein.
Wie weiterhin zu erkennen ist, nimmt die Spannung bei Belastung und vor allem bei einem Kurzschluss ab. Dies ist ein typisches Verhalten. Ist kein Verbraucher angeschlossen oder der
Stromkreis nicht geschlossen, kann die elektrische Energie
nicht abfließen und eine Maximalspannung baut sich auf. Sobald der Stromkreis geschlossen wird, kann elektrische Energie abfließen und die Spannung bricht zusammen.
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-
Reinigung und Entsorgung
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 in den anorganischen Feststoffabfall entsorgt werden.
Zn2+/Cu2+ + NaOH → Zn(OH)2 + Cu(OH)2 + Na+
Die theoretisch mögliche Spannung kann mit Hilfe der Normalpotenziale U0H aus der elektrochemischen Spannungsreihe
berechnet werden. Es gilt:
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