Elektrolyse von Wasser

Elektrolyse von Wasser
H2
O2
VH
Wasser,
Salz,
Farbstoff
Kathode
+
Anode
2
: VO
2
=
2:1
Aufbau, Größe und Masse der Atome
Subatomare Teilchen
Masse/g
Ladung/C
Elektron
9,1096⋅10-28
-1,602⋅10-19
Proton
1,6726⋅10-24
Neutron
1,6750⋅10-24
+1,602⋅10-19
0
Elementarladung e = 1,602⋅10-19 C
Symbol
e
p
n
Experiment von Rutherford
Blei
Goldfolie, 5µm dick
0,1 %
99,9 %
Radium
a -Teilchen
Folgerung: Die α-Teilchen müssen sehr klein sein
Die Atome bestehen im wesentlichen aus leerem Raum
Die Hauptmasse des Atoms muss sich in einem winzigen Volumen befinden
Aufbau und Größe der Atome
Durchmesser des Atomkerns: etwa 0,01 pm
Durchmesser des Atoms: etwa 100-200 pm
Der Atomkern enthält die Protonen und Neutronen
Der Atomkern enthält 99,95% der Atommasse
Zahl der Elementarteilchen in Atomen
Bei neutralen Atomen muss gelten:
Zahl der Protonen = Zahl der Elektronen.
Dafür hat man auch den Begriff der Ordnungszahl Z eingeführt.
Z = Zahl der Protonen = Zahl der Elektronen
Unter der Massenzahl MZ versteht man die Zahl der schweren Teilchen im
Atomkern.
MZ = Np + Nn
Raster-Tunnel-Elektronenmikroskopie
~4nm
Silicium 111-Oberfläche
Aufbau einiger Elemente
Element
Wasserstoff
Helium
Lithium
Beylllium
Z
1
2
3
4
Symbol
H
He
Li
Be
MZ
1
4
7
9
Nn
0
2
4
5
Isotope: Elemente mit unterschiedlicher Neutronenzahl bei gleichem Z.
und
235
92
U
238
92
U
Isotope unterscheiden sich in ihren chemischen Eigenschaften kaum.
Ausnahme: normaler Wasserstoff, Nn = 0
Deuterium,
Nn = 1
Tritium,
Nn = 2
Masse der Atome, Stoffmenge
Atome weisen Massen von etwa 10-23 g auf.
Das ist zu klein für praktische Anwendungen. Man hat daher den Begriff
der Stoffmenge eingeführt.
Unter einer Stoffmenge versteht man eine bestimmte und sehr große Zahl
von Teilchen: Es sind so viele Teilchen, wie sich in 12 g des
Kohlenstoffisotops 12C befinden.
Wie viel Teilchen sind das?
6,022⋅1023 Teilchen
Diese Zahl wird auch als Avogadro-Konstante bezeichnet.
NA = 6,022⋅1023 /mol
Anwendung der Größe „Stoffmenge”
Symbol n, Einheit mol
In Tabellen (Periodensystem) findet man Angaben darüber, welche Masse
1 mol des betreffenden Elements aufweist. Diese Größe wird als Molare
Masse M bezeichnet.
Beispiele:
Kohlenstoff
12
C: M = 12 g/mol
natürlich vorkommender Kohlenstoff besteht aus 99% 12C und 1% 13C: M
= 12,01 g/mol
Sauerstoff: M = 16,00 g/mol
Chlor: M = 35,45 g/mol besteht aus 35Cl und 37Cl
Anwendung der Größe „Stoffmenge”
Molare Masse von Verbindungen
Verbindung AiBj:
M = iMA + jMB
Berechnung der Stoffmenge bei gegebener Masse
m=nM
--> n = m/M
Berechnung der Zahl der Teilchen
N = n NA
Bestimmung der Avogadro-Konstante
- Bestimmung der Dichte ρ eines festen Elements
- Bestimmung der Atomabstände a im Kristall
- Die molare Masse M ist bekannt
Volumen eines Mols: VM = M / ρ
Mit den Abständen a wird daraus die Zahl der Atome in
VM bestimmt
Das ist die Avogadro-Konstante NA
Aufbau der Elektronenhülle von Atomen
- Mechanische Untersuchungen sind zu grob
- Untersuchung mit Licht
- Absorption von Licht
- Emission von Licht
Für unseren Zweck: Licht ist ein Strom von Photonen
Energie eines Photons: E = h ν
Geschwindigkeit: c = λν
Plancksches Wirkungsquantum: h = 6,626⋅10-34 Js
Vakuumlichtgeschwindigkeit:
c = 2,998⋅108 m/s
Klassisches Bild vom Wasserstoffatom
Das Elektron bewegt sich auf einer Kreisbahn um das
Proton
e
p
r
Zentrifugalkraft und elektrostatische Anziehung sind gleich
groß
Die Energie des H-Atoms setzt sich aus der kinetischen und
elektrostatischen Energie zusammen
Die Energie steigt kontinuierlich mit dem Radius
Das H-Atom müsste weißes Licht emittieren
Lichtemission einer Glühlampe
rot
grün
blau
Lampe
Linse
Spalt
Gitter
Primärstrahl
blau
grün
rot
Lichtemission von Wasserstoff
in einer Glimmentladung
türkis
rot
656,7
blau
434,5
486,1
Primärstrahl
türkis
blau
434,5
486,1
rot
656,7
Bohrsches Atommodell
E=-
me
8e
2
o
4
h
2
1
n
2
n = 1, 2, 3, ...; Quantenzahl (Hauptquantenzahl)
0
n = unendlich
n=3
angeregte Zustände
n=2
E
n=1
Grundzustand
Emission von Licht
∆E =
me
8
e 2
o
4
h
1
2
n
2
2
1
e
2
1
n = 1: Emission im UV
2
n = 2: Emission im sichtbaren Bereich
2
(Balmer Serie)
= hν