Chemie-Praktikum - Stromberg

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Chemie-Praktikum
Versuch 12/10
Datum:
Konzentrationsabhängigkeit von Redoxpotentialen; Bleiakku
Teil I: Konzentrationsabhängigkeit von Redoxpotentialen
Protokoll:
Mitarbeiter:
Grundlagen:
Das Potential einer Metall- oder einer Wasserstoffelektrode in ihrer Elektrolytlösung hängt von der
Ionenkonzentration ab und wird durch die Nernstsche Gleichung beschrieben:
U  U0 
0,059V
c(Ox )
 lg
n
c(Re d )
Ox:
Red:
n:
Oxidierte Form des Redoxpaares
Reduzierte Form des Redoxpaares
Anzahl der ausgetauschten Elektronen
Streng genommen müsste man anstatt der Konzentrationen die "Aktivitäten" einsetzen, die auf andere
Weise definiert sind. Wir können dies jedoch vernachlässigen und müssen nur folgendes beachten:
Da eine "Aktivität" (bei reinen Phasen) definitionsgemäß nicht größer als 1 sein kann, dürfen wir für
die Konzentrationen keinen Wert größer als 1 einsetzen.
Beispiel: Ein Silberblech (reduzierte Form des Redoxpaares) taucht in eine Ag+-Lösg. der
Konzentration 0,1 mol/1 ein. In der Nernstschen Gleichung ist c(Ox) = 0,1, c(Red)= 1. Ebenso müssen
wir in einer Wasserstoffhalbzelle für die Konzentration des gasförmigen Wasserstoffs 1 einsetzen.
Baut man eine galvanische Zelle auf, bei der die Ionenkonzentration in der einen Halbzelle bekannt ist,
so lässt sich aus der gemessenen Spannungsdifferenz die unbekannte Ionenkonzentration in der
zweiten Halbzelle bestimmen.
Aufgaben:
1) Bestimme das Ionenprodukt von Wasser.
2) Bestimme die Säurekonstante Ks von Ethansäure.
Durchführung:
Versuchsaufbau:
a) In eine Halbzelle luftblasenfrei Salzäure mit der Konzentration 1 mol/1, in die andere Natronlauge
mit c = 0,1 mol/1 einfüllen. Platinierte Platinelektroden einführen
b) Schließe an die Gaseinleitungsrohre der beiden Halbzellen die Wasserstoffflasche an und lasse
Wasserstoff durchperlen. (Schutzbrille! Evtl. herausspritzende Lösungen!)
c) Miss die Spannung
d) Wiederhole den Versuch mit Natronlauge der Konzentration 0,01 mol/1.
zu 2) Es wird der gleiche Versuchsaufbau wie bei 1) verwendet. Es werden wiederum zwei Messungen
durchgefiihrt:
NWHZ gegen eine Wasserstoffl1albzelle mit Essigsäure der Konzentration 0,1 mol/l.
NWHZ gegen eine Wasserstoffl1albzelle mit Essigsäure der Konzentration 1 mol/l
Aufgaben:
zu 1)
a) Begründe mit Worten, wie aus diesem Versuchsaufbau mit Hilfe der gemessenen Spannung das
Ionenprodukt des Wassers ermittelt werden kann.
b) Welche Potentialdifferenz misst man, wenn zwischen den beiden Halbzellen eine pH-Differenz von
1 besteht?
c) Berechne c(H3O+) in der Halbzelle mit Natronlauge der Konzentration 0,1 mol/1.
Berechne das Ionenprodukt des Wassers in dieser Halbzelle.
d) Berechne auf analoge Weise das Ionenprodukt des Wassers in der Halbzelle mit Natronlauge der
Konzentration 0,1 mol/1.
zu 2)
a) Berechne aus den Messwerten c(H3O+) in Ethansäure mit den Konzentrationen 0,1 mol/1 bzw.
0,01 mol/1.
b) Wie ist die Säurekonstante von Ethansäure definiert?
Setze die Messwerte ein und berechne den Zahlenwert von Ks sowie den pKs-Wert.
Falls noch Zeit sein sollte:
Bestimme nach dem Verfahren in 2) die erste Säurekonstante von Oxalsäure (HOOC - COOH).
Warum erfassen wir mit diesem Verfahren die 1. Säurekonstante?
Teil II: Bleiakkumulator
Grundlagen:
Der Bleiakkumulator ist eine galvanische Zelle: Pb/Pb2+ // Pb2+/PbO2.
Zunächst liegen zwei Bleiplatten vor. Die eine davon muss einen Überzug aus PbO2 erhalten. Dieser
Vorgang heißt "Formieren". Zur Formierung werden die beiden Bleiplatten in 20%ige Schwefelsäure
getaucht und an eine Gleichspannung angeschlossen.
An der Kathode entsteht Wasserstoff, an der Anode Sauerstoff. (Warum? Siehe Auswertung!) Der an
der Anode entstehende Sauerstoff reagiert mit dem Blei und verbindet sich mit diesem zu einem
Überzug aus braunem Blei(IV)-oxid (PbO2).
Jetzt wäre die Formierung eigentlich abgeschlossen. Trotzdem polen wir noch einmal um. Jetzt wird
an der mit PbO2 überzogenen Elektrode Wasserstoff abgeschieden, das PbO2 wird zu elementarem
Blei reduziert. So erhält man auf dieser Elektrode eine Schicht von feinverteiltem Blei. Dafür bildet
sich jetzt auf der anderen Elektrode PbO2.
Der Bleiakkumulator ist jetzt geladen und kann als galvanische Zelle benutzt werden.
Geräte:
2 Bleibleche, 2 Elektrodenhalter, 2 Krokodilklemmen, 1 Batterieglas, Netzgerät,
Vielfachmessinstrument, Kabel, Glühlämpchen (2 Volt).
Chemikalien: H2SO4 20%ig (Vorsicht!)
Durchführung:
a) Die beiden Bleiplatten werden mit Hilfe der Elektrodenhalter am Rand des Glases befestigt . Das
Glas wird halb mit Schwefelsäure gefüllt.
Jetzt wird ein Gleichstrom von 0,5 A bis l A durch die Zelle geschickt, so dass an beiden Elektroden
mäßige Gasentwicklung einsetzt.
Beobachtung an den Elektroden?
Anschließend wird der Strom in umgekehrter Richtung etwa 8 Minuten durchgeschickt.
Beobachtung an den Elektroden?
b) Spannungsmessung nach folgender Schaltung:
Messergebnis: U =
Volt
c) Betrieb als Akkumulator
Auswertung:
1) Welche Reaktionen laufen beim Entladen des Bleiakkus an den Elektroden ab?
Wie lautet die Gesamtgleichung des Entladevorgangs?
2) Welche Reaktionen laufen beim Laden eines Bleiakkus an den Elektroden ab?
Wie lautet die Gesamtgleichung des Ladevorgangs?
3) Welche Vorgänge laufen beim Formieren an den Elektroden ab?
4) Warum lässt sich der Ladezustand des Bleiakkus durch eine Dichtemessung
(=Konzentrationsmessung) der Schwefelsäure bestimmen?
5) Warum kann es vorkommen, dass man beim Bleiakku von Zeit zu Zeit destilliertes Wasser
nachfüllen muss?
Zusatzfrage (nur für Führerscheinbesitzer):
6) Welche Aufgabe hat der Bleiakku als Autobatterie?
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