Physikalische Chemie

LD
Handblätter
Chemie
Physikalische Chemie
Elektrochemie
Elektrochemische Potenziale
C4.4.3.1b
Spannungsreihe der Metalle
(Mit CASSY)
Versuchsziele
 Spannungsreihe der Metalle experimentell ermitteln.
 Verknüpfen verschiedener Halbzellen zu elektrischen Elementen
 Redoxreaktionen kennenlernen.
 Reduktions- bzw. Oxidationsmittel bestimmen.
zu. Diese Metalle lassen sich leicht oxidieren und werden
als unedel bezeichnet. Bei Metallen, die ein größeres Abscheidungsbestreben haben, verhält es sich umgekehrt.
Das Metall lädt sich positiv auf, weil sich Metallionen aus
der Lösung daran abscheiden. Diese Metalle lassen sich
nicht leicht oxidieren und werden als edel bezeichnet. Hierzu gehören Metalle wie Silber und Kupfer.
Grundlagen
Redoxreaktionen bilden die Grundlage der Elektrochemie.
Dies sind Reaktionen, bei denen durch einen Reaktionspartner Elektronen abgegeben werden und von einem weiteren Reaktionspartner aufgenommen werden. Der Name
„Redox“ setzt sich dabei aus den gleichzeitig stattfindenden
Einzelreaktionen zusammen, der Reduktion und Oxidation.
Reduktion beschreibt dabei die Reaktion, bei der ein Reaktionspartner Elektronen aufnimmt. Bei der Oxidation dagegen werden Elektronen abgegeben. Stoffe, die andere
Stoffe oxidieren, werden als Oxidationsmittel bezeichnet.
Stoffe, die andere reduzieren, nennt man Reduktionsmittel.
Wenn ein Metall in die Lösung eines seiner Salze eintaucht
und ein solches Potenzial ausgebildet wird, dann bezeichnet man diesen Aufbau als Halbzelle. Das Potenzial einer
Halbzelle alleine ist nicht messbar. Verbindet man zwei
Halbzellen leitend miteinander, so erhält man eine elektrochemische Zelle. Dann ist eine Spannung messbar, welche
die Potenzialdifferenz zwischen beiden Halbzellen wiedergibt. Je höher diese Differenz ausfällt, desto mehr unterscheiden sich die beiden Metalle in ihrem Lösungs- bzw.
Abscheidungsbestreben. Außerdem lässt sich so experimentell ermitteln, welches Metall die Kathode und welches
die Anode bildet. Leitend miteinander verbinden lassen sich
Halbzellen z.B., wenn sie durch einen Stromschlüssel
(Salzbrücke) miteinander verbunden werden, so dass Elektronen von einer zu anderen Halbzelle diffundieren können.
MS-2014-04
Nicht alle Stoffe haben dieselbe Neigung Elektronen abzugeben bzw. aufzunehmen, weil sie unterschiedliche Lösungs- und Abscheidungsbestreben haben. Taucht ein
Metall in die Lösung eines seiner Salze ein, so baut sich
aufgrund seines Lösungs- bzw. Abscheidungsbestreben ein
Potenzial auf. Bei Metallen mit einem größeren Bestreben,
Elektronen abzugeben, lädt sich das Metall aufgrund zurückbleibender Valenzelektroden negativ auf, während sich
die Lösung positiv auflädt. Dies trifft z.B. auf Zink und Eisen
Abb. 1: Versuchsaufbau.
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C4.4.3.1b
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Kombiniert man verschiedene Halbzellen miteinander, kann
man sie anhand der erhaltenen Werte der Potenzialdifferenzen ordnen. So lässt sich experimentell die sogenannte
Spannungsreihe der Metalle ermitteln. Dabei wird das unedelste Metall bei allen Kombinationen immer die Anode
bilden. Das edelste Metall hingegen wird bei allen Versuchen immer die Kathode bilden. Die restlichen Metalle können dann anhand der Potenzialdifferenzen gegenüber diesen beiden Metallen eingeordnet werden.
Eisen(II)-sulfat-7-hydrat
Gefahrenhinweise
Signalwort:
Achtung
Mit Hilfe der Spannungsreihe der Metalle lassen sich Aussagen über den Ablauf von Redoxreaktionen treffen. So
lässt sich voraussagen, welche Reaktionen freiwillig ablaufen und bei welchen eine Spannung aufgebracht werden
muss, um die Reaktionen zu erzwingen.
Sicherheitshinweise
P305+P351+P338 Bei Kontakt mit den
Augen: Einige Minuten lang behutsam mit
Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen
nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.
In diesem Versuch wird experimentell die Spannungsreihe
der Metalle am Beispiel von Kupfer, Silber, Eisen und Zink
ermittelt. Auch Blei oder Nickel können eingeordnet werden.
Dazu werden diese nacheinander miteinander in einer
elektrochemischen Zelle kombiniert. Anhand der gemessenen Spannungen und jeweiligen Polung kann dann die
Spannungsreihe erstellt werden.
P302+P352 Bei Kontakt mit der Haut:
Mit viel Wasser und Seife waschen.
Kupfer(II)-sulfat
Gefahrenhinweise
H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.
H315 Verursacht Verätzungen.
H319 Verursacht schwere Augenreizung.
H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.
H410 Sehr giftig für Wasserorganismen
mit langfristiger Wirkung.
Gefährdungsbeurteilung
Hautkontakt mit Zinksulfat-7-hydrat, Silbernitrat und Salzsäure unbedingt vermeiden.
Bleisulfat und Nickelchlorid sind toxisch und krebserregend.
Von Fall zu Fall entscheiden, ob ein Einsatz die Risiken
aufwiegt.
Signalwort:
Achtung
Blei(II)-nitrat-Lösung, ca. 1 M
Gefahrenhinweise
H272 Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel.
H360Df Kann das Kind im Mutterleib
schädigen. Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen.
H332 Gesundheitsschädlich bei Einatmen.
H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.
H318 Verursacht schwere Augenschäden.
H373 Kann die Organe schädigen bei
längerer oder wiederholter Exposition.
H410 Sehr giftig für Wasserorganismen
mit langfristiger Wirkung.
Sicherheitshinweise
P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
P305+P351+P338
Bei Kontakt mit
den Augen: Einige Minuten lang behutsam
mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter
spülen.
P302+P352 Bei Kontakt mit der Haut: Mit
viel Wasser und Seife waschen.
Silbernitrat
Gefahrenhinweise
H272
Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel.
H314 Verursacht schwere Verätzungen
der Haut und schwere Augenschäden.
H410 Sehr giftig für Wasserorganismen
mit langfristiger Wirkung.
Sicherheitshinweise
Signalwort:
Gefahr
H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.
H319 Verursacht schwere Augenschäden.
H315 Verursacht Verätzungen.
P201 Vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen.
P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
P305+P351+P338
Bei Kontakt mit
den Augen: Einige Minuten lang behutsam
mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter
spülen.
P308+P313 Bei Exposition oder falls
betroffen: Ärztlichen Rat einholen / ärztliche
Hilfe hinzuziehen.
Sicherheitshinweise
Signalwort:
Gefahr
P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
P280 Bei Exposition oder falls betroffen:
Ärztlichen Rat einholen / ärztliche Hilfe
hinzuziehen.
P301+P330+P331
BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen
herbeiführen.
P305+P351+P338
Bei Kontakt mit
den Augen: Einige Minuten lang behutsam
mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter
spülen.
P309+P311 Bei Exposition oder Unwohlsein: Giftinformationszentrum oder Arzt
anrufen.
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Geräte und Chemikalien
Zinksulfat-7-hydrat
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Gefahrenhinweise
H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken.
H318 Verursacht schwere Augenschäden.
H410 Sehr giftig für Wasserorganismen
mit langfristiger Wirkung.
Sicherheitshinweise
Signalwort:
Gefahr
P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
P280 Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz / Gesichtsschutz tragen.
P305+P351+P338
Bei Kontakt mit
den Augen: Einige Minuten lang behutsam
mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter
spülen.
Nickel(II)-chlorid
Gefahrenhinweise
Signalwort:
Gefahr
H350i Kann bei Einatmen Krebs erzeugen.
H341 Kann vermutlich genetische Defekte
verursachen.
H360D Kann das Kind im Mutterleib schädigen.
H301 Giftig bei Verschlucken.
H331 Giftig bei Einatmen.
H373 Kann die Organe schädigen bei
längerer oder wiederholter Exposition
durch Einatmen.
H315 Verursacht Hautreizungen.
H334 Kann bei Einatmen Allergie, asthmaartige Symptome oder Atembeschwerden
verursachen.
H317 Kann allergische Hautreaktionen
verursachen.
H410 Sehr giftig für Wasserorganismen mit
langfristiger Wirkung.
Stativstange 25 cm ................................. 300 41
Sockel ..................................................... 300 11
Doppelmuffe S ........................................ 301 69
Universalklemme 0...80 mm.................... 666 555
Universelles Messinstrument Chemie ..... 531 836
UIP-Sensor S .......................................... 524 0621
Becherglas, Boro 3.3, 150 ml, hF............ 602 010
Glasrührstab, aus Satz 10 ...................... 665 212ET10
Kompaktwaage 200 g : 0,01 g ................ 667 7977
Pulverspatel Edelstahl, 185 mm.............. 604 5682
Messzylinder 100 ml, Kunststofffuß ........ 665 754
Plattenelektrode Kupfer, 76x40 mm, ....... 591 53
Plattenelektrode Zink, 76x40 mm............ 591 54
Plattenelektrode Silber, 55x40 mm ......... 664 421
Plattenelektrode Eisen, 76x40 mm ......... 591 55
Plattenelektrode Blei, 76x40 mm ............ 591 591
Plattenelektrode Nickel, 76x40 mm......... 591 56
Experimentierkabel 19 A, 50 cm, Paar.... 501 45
Schnabelklemmen, blank, 6 Stück .......... 501 861
Stromschlüsselrohr, 90 mm x 90 mm ...... 667 455
Gummistopfen voll, 16...21 mm Ø........... 667 255
Kaliumnitrat, 100g ................................... 672 6800
Kupfer(II)-sulfat-5-hydrat, 100 g .............. 672 9600
Zinksulfat-7-hydrat, 250 g ....................... 675 5410
Silbernitrat, 25 g ...................................... 674 8610
Eisen(II)-sulfat-7-h., 250 g ...................... 671 9110
Bleinitratlösung, 500 ml........................... 670 9650
Nickel(II)-sulfat, 100 g ............................. 673 9000
Wasser, rein, 1 l ...................................... 675 3400
Aufbau der Apparatur
Das Stromschlüsselrohr als Salzbrücke in einer Halterung
befestigen (siehe Abb. 1). Dazu wird eine Stativstange in
einen Sockel eingesetzt und festgeschraubt. An der Stativstange kann nun eine Doppelmuffe befestigt werden, mit
welcher dann eine Universalklemme gehalten wird. Mit der
Universalklemme die Salzbrücke fixieren.
Vorbereitung
1. Zur Vorbereitung werden 1 M Lösungen angesetzt.
2. Dazu werden die Einwaagen für Eisen(II)-sulfat-7-hydrat,
Kupfersulfat-5-hydrat, Silbernitrat, Zinksulfat-7-hydrat und
evtl. Nickelsulfat berechnet. Es wird jeweils eine Einwaage
für 100 ml Lösung berechnet.
3. Zur Berechnung werden die molaren Massen der Stoffe
benötigt.
M(FeSO4* 7H2O) = 278,00 g/mol
M(CuSO4* 5H2O)) = 249,69 g/mol
M(AgNO3) = 169,87 g /mol
M(ZnSO4* 7H2O) = 287,53 g/mol
(M(NiSO4) = 154,75 g/mol)
Zusätzlich wird für die Salzbrücke eine 1 M KNO3-Lösung
benötigt.
M(KNO3) = 101,11 g/mol
Sicherheitshinweise
P201 Vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen.
P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
P308+P313 BEI Exposition oder falls betroffen: Ärztlichen Rat einholen/ ärztliche
Hilfe hinzuziehen.
P304+P340 BEI EINATMEN: An die frische Luft bringen und in einer Position
ruhigstellen, die das Atmen erleichtert.
P302+P352 BEI KONTAKT MIT DER
HAUT: Mit viel Wasser und Seife waschen.
P309+P310 BEI Exposition oder Unwohlsein: Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM oder Arzt anrufen.
4. Die Berechnung für 100 ml einer 1 M Lösung wird folgendermaßen durchgeführt:
Damit erhält man die folgenden Einwaagen:
m(FeSO4* 7H2O) = 27,80 g
m(CuSO4* 5H2O) = 24,97 g
m(AgNO3) = 16,99 g
m(ZnSO4* 7H2O) = 28,75 g
(m(NiSO4) = 15,48 g)
m(KNO3) = 10,11 g/mol
5. Die Einwaagen werden in den Bechergläsern in je
100 ml destilliertem Wasser durch Umrühren mit einem
Glasstab gelöst.
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C4.4.3.1b
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Versuchsdurchführung
Ergebnis
1. In die Bechergläser mit den Metallsalzlösungen nun die
jeweilige Metallelektrode einsetzen. Dies sind die vorbereiteten Halbzellen
Zink bildet bei allen Kombinationen immer den Minuspol
und ist damit das unedelste Metall in diesem Versuch. Silber hingegen bildet immer den Pluspol und ist das edelste
Metall in diesem Versuch. Mit Hilfe der restlichen Kombinationen und Ergebnissen kann eine Spannungsreihe der hier
im Versuch verwendeten Metalle aufgestellt werden.
2. Die Salzbrücke mit der 1 M Kaliumnitrat-Lösung befüllen
und mit einem Stopfen verschließen.
3. Die Salzbrücke in die Zink- und die Kupferhalbzelle so
ablassen, dass sie gut in die beiden Lösungen eintaucht.
4. An das Universelle Messinstrument Chemie den UIPSensor anstecken. Das Gerät anschalten.
5. Die Metallelektroden mit je einer Schnabelklemme und
den Experimentierkabeln mit den Eingängen des UIPSensors zur Spannungsmessung U verbunden.
6. Wenn sich ein konstanter Messwert eingestellt hat,
diesen notieren.
7. Durch Vertauschen des Plus- und des Minuspols ermitteln, welche Elektrode welchen Pol bildet. Die Elektroden
sind dann richtig geschaltet, wenn ein positiver Wert abgelesen wird.
Elektrode
1
Elektrode
2
Spannung
ΔE
Cu
Ag
Cu
Fe
Cu
Zn
Pluspol
Minuspol
0,382 V
Ag
Cu
0,712 V
Cu
Fe
Zn
1,095 V
Cu
Zn
Pb
0,612 V
Pb
Zn
Zn < (Ni) < Fe < (Pb) < Cu < Ag
Unedel
Edel
8. Anschließend mit den Kombinationen Kupfer/Eisen und
Silber/Kupfer fortfahren. Diese reichen aus, um eine Spannungsreihe aufzustellen. Dafür die Salzbrücke aus dem
Becherglas mit Kupfer entfernen, kurz abtupfen und in die
nächsten Bechergläser tauchen.
9. Werden auch Blei und Nickel verwendet, so können
diese am besten gegen Zink oder gegen Kupfer gemessen
werden.
Hinweis: Alternativ können die Messwerte in der Software
CASSY Lab aufgenommen und dargestellt werden. Auch
die Messung mit einem Sensor- oder Pocket-CASSY ist
einfach möglich. Dafür wird die Software CASSY Lab (524
220) und ein Rechner benötigt.
Auswertung
Es wird zunächst nach dem Metall gesucht, welches bei
allen Kombinationen den Minuspol bildet. Anschließend
wird das Metall gesucht, das immer den Pluspol bildet. So
hat man das unedelste und edelste Metall identifiziert und
kann die anderen Metalle aufgrund ihrer Potenzialdifferenzen im Vergleich zu den beiden Metallen anordnen.
Abb. 2: Potenzialdifferenzen der verschiedenen Kombinationen
von Metallen. Darstellung in CASSY Lab.
Reinigung und Entsorgung
Alle Lösungen müssen in einen dafür gekennzeichneten
Abfallbehälter für anorganische Abfälle entsorgt werden.
Die Lösungen dürfen auf keinen Fall in die Kanalisation
gelangen.
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