Physikalische Chemie

Physikalische Chemie
LD
Handblätter
Chemie
Elektrochemie
Galvanische Elemente
C4.4.4.4
Einfluss der Elektrolytkonzentration auf das Daniell-Element
Zeitbedarf: 20-30 min
Versuchsziele
 Ein galvanisches Element aufbauen.
 Messbare Spannung mit wässrigen Lösungen erzeugen.
 Der Einfluss der Elektrolytkonzentration auf das Daniell-Element.
 Einen Motor mit einem Daniell-Element antreiben.
Grundlagen
Der Begriff galvanisches Element beschreibt einen Aufbau zur
Umwandlung von chemischer in elektrischer Energie. Eine solche elektrochemische Zelle besteht aus zwei Halbzellen. Jede
Halbzelle beinhaltet eine Elektrode, die in eine Elektrolytlösung
taucht (vgl. Abb. 1). Das Paradebeispiel des galvanischen Elementes ist das Daniell-Element. Hier taucht eine Zink-Elektrode in eine Zinksulfat-Lösung und eine Kupfer-Elektrode in
eine Kupfersulfat-Lösung (vgl. auch Versuch C4.4.4.1). In Abbildung 1 ist der schematische Aufbau dieses Daniell-Elementes dargestellt.
AA-2016-06
Abb. 1: Schema eines Daniell-Elements. Damit sich die Lösungen
nicht mischen, sind beide Halbzellen durch ein Papierdiaphragma getrennt.
Wie kommen Spannung und Stromstärke eines galvanischen
Elementes zustande? Die Potentialdifferenz, also die gemessene Spannung, einer Zelle ist vom Elektrodenmaterial abhängig. Je verschiedener der Charakter beider Elektroden ist,
desto größer ist die Potentialdifferenz. Der Charakter eines
Stoffs wird durch seine Lösungs- bzw. Abscheidungstendenz
definiert, d.h. dadurch, wie gut er in einer Redox-Reaktion
Elektronen an einen Reaktionspartner abgibt. In der elektrochemischen Spannungsreihe sind Stoffe nach ihren Charakter
aufgelistet. Oben stehen die edlen Stoffe und nach unten hin
werden die Stoffe immer unedler.
Abb. 2: Versuchsaufbau und Verschaltung.
In diesem Versuch werden Daniell-Elemente mit unterschiedlichen Konzentrationen der Metallsalzlösungen aufgebaut. Der
Einfluss auf Spannung und Stromstärke des Daniell-Elements
wird untersucht.
Gefährdungsbeurteilung
ACHTUNG: Zinksulfat ist augenschädigend. Stets mit Schutzkittel und Schutzbrille arbeiten. Hautkontakt vermeiden.
Die Stromstärke eines galvanischen Elements, also die Menge
an Elektronen, die durch den Leiter wandern können, hängt
von der Menge an bereitgestellten Ionen ab. Je mehr Ionen zur
Verfügung stehen, desto größer ist auch die Stromstärke.
Kupfer- und Zinksulfatlösungen nicht im Ausguss entsorgen.
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Versuchsvorbereitung
Kupfersulfat-Lösung, 1 mol/l
Ansetzen der Lösungen: Es werden jeweils Lösungen mit der
Konzentration 0,1 mol/l und mit 0,01 mol/l benötigt. Für jede
Halbzelle werden 80 ml Lösung benötigt.
Gefahrenhinweise
H411 Giftig für Wasserorganismen, mit
langfristiger Wirkung.
Den Peleusball auf die Messpipette stecken und zunächst 9 ml
Kupfersulfat (1 mol/l) aufziehen. Diese werden in einen Becherglas übergeführt. Nun 81 ml Wasser zu der KupfersulfatLösung geben und mit einem Glasstab verrühren. Das Becherglas beschriften. Für die 0,01 mol/l Lösung von dieser hergestellten 0,1 mol/l Lösung 8 ml mit der Messpipette entnehmen
und in einen zweiten Becherglas überführen. Hierzu nun 72 ml
Wasser zugeben und mit einem Glasstab verrühren. Becherglas beschriften.
Sicherheitshinweise
P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
Signalwort:
Achtung
Zinksulfat-Lösung, 1 mol/l
Gefahrenhinweise:
H318 Verursacht schwere Augenschäden
Analoges Verfahren, um die Zinksulfat-Lösungen herzustellen.
Hier eine saubere Messpipette verwenden. Die Lösungen vor
dem Überführen mit einem Glasrührstab verrühren.
H411 Giftig für Wasserorganismen, mit
langfristiger Wirkung.
Schaltung des Versuches: Am Demonstrationsgerät Umschalter (6) auf externe Stromquelle umstellen (siehe Abb. 4). Umschalter (8) an der Anzeige auf Gleichstrom DC umstellen. Umschalter (15) an die Messung anpassen.
Sicherheitshinweise:
P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
P280 Augenschutz tragen
Signalwort:
Gefahr
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 Abbildungen 3 und 4 gezeigt über
die Buchsen (17) verbinden.
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.
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Geräte und Chemikalien
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Demonstrationsgerät Elektrochemie, CPS..... 664 4071
Profilrahmen C50, zweizeiig 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
Kupfer-Elektrode ............................................ aus 664 401
Messzylinder, 100 ml ..................................... 665 754
Becherglas, 150 ml ........................................ 602 023
Becherglas, 600 ml ........................................ 664 11566
Glasrührstab, aus Satz 10 .......................... 665 212ET10
Messpipette, 10 ml ......................................... 665 997
Pipettierball (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
V
A
N
+
Zink||Kupfer
Abb. 3: Schaltung des Versuchs.
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 fest mit den Schrauben verschließen.
Der Zelltrog sollte nun dicht sein. In die äußersten Nuten jeweils eine Zink- und eine Kupfer-Elektrode einsetzen (vgl.
Abb. 2).
Abb. 4: Skizze Demonstrationsgerät.
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Versuchsdurchführung
Ergebnis
In die Zink-Halbzelle die Zinksulfat-Lösung (0,01 mol/l) einfüllen. Direkt die Kupfersulfat-Lösung (0,01 mol/l) in die KupferHalbzelle 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 mit den negativen Buchsen (12) und (7) und Kupfer mit den positiven
Buchsen (12) und (7) verbinden. Spannung und Strom notieren.
Beide Zellen weisen gleiche Spannungen auf, trotz unterschiedlicher Konzentration. Daraus resultiert, dass die Potentialdifferenz nicht von der Konzentration abhängt.
Die Zellen in einem Becherglase (mind. 500 ml) entleeren und
den Zelltrog gründlich ausspülen. Bei Bedarf auch die Diaphragmen austauschen. Zelltrog mit Wasser nochmals ausspülen und nun die gleichen Messungen mit der konzentrierten
(0,1 mol/l) Elektrolytlösungen durchführen.
Die Spannung bricht beim Anschluss eines Verbrauchers, hier
der Motor, ein. Dieser Prozess ist typisch für galvanische Elemente. Im Ruhezustand weist die Halbzelle eine Spannung
von 1,09 V bzw. 1,01 V auf. (Eine handelsübliche Batterie
weißt etwa 1,5 – 1,8 V auf).
Beobachtung
Weiteres
Der Motor dreht sich nur bei den Elektrolyten mit 0,1 mol/l Konzentration.
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.
In den Lösungen ist eine Stoffumsetzung zu vermuten. In der
Zink-Halbzelle ist ein dunkler Niederschlag zu beobachten (gilt
für beide Konzentrationen).
Auswertung
Nachfolgende Tabelle enthält die experimentell beobachteten
Werte.
Tab.1: Gemessene Werte und Beobachtung des Elektromotors.
Die Stromstärke ist unterscheidet sich bei beiden Zellen. Die
Stromstärke hängt von der Konzentration der Elektrolytlösung,
also von der Menge der zur Verfügung stehenden Elektronen
ab. Der Motor läuft nur bei höheren Konzentrationen, da eine
gewisse Menge an Elektronen zur Verfügung stehen muss, um
die benötigte Stromstärke zu erreichen.
Reaktion:
Cu° + HNO3 → CuII(NO3)2 + 6 NH3 → CuII(NH3)4 + 2 NO3-
Messgröße
0,01 mol/l
0,1 mol/l
Spannung U
1001 mV
1090 mV
Motor
Läuft nicht
Läuft
Spannung mit Motorbelastung
55 mV
380 mV
Stromstärke mit Motorbelastung
1,7 mA
8,5 mA
Kurzschlussspannung
0,5 mV
26 mV
Lösungen in einem Becherglas, 600 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 kann dann in den anorganischen
Feststoffabfall entsorgt werden.
Kurzschlussstrom
1,66 mA
12,1 mA
Zn2+/Cu2+ + NaOH → Zn(OH)2 + Cu(OH)2 + Na+
Reinigung und Entsorgung
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