Physikalische Chemie

Physikalische Chemie
LD
Handblätter
Chemie
Elektrochemie
Elektrochemische Potentiale
C4.4.4.6
Reihen- und Parallelschaltung von
Elementen
Zeitbedarf: 20-30 min
Versuchsziele
 Ein galvanisches Element aufbauen.
 Zwei galvanische Elemente miteinander verschalten.
 Aufbau einer Reihen- und Parallelschaltung
 Einfluss der Schaltung auf den Strom und die Spannung.
 Batterien und Akkumulatoren im Alltag.
Grundlagen
bestimmt. Die Spannung U wird durch das Elektrodenmaterial
vorgegeben.
Jede Batterie ist ein galvanisches Element, in dem chemische
Energie in elektrische umgewandelt wird. Eine solche elektrochemische Zelle besteht aus zwei Halbzellen. Jede Halbzelle
beinhaltet eine Elektrode, welche in einer Elektrolytlösung
taucht (vgl. Abb. 1 + 2).
Um Strom oder Spannung zu erhöhen, werden mehrere galvanische Elemente miteinander in Reihe oder Parallel verschalten. Schaltet man galvanische Zellen in Reihe, so erhält man
höhere Spannungen U, da die Einzelspannungen U0 der Zellen mit einander addiert werden (vgl. Kirchhoff’sche Maschenregel). Schaltet man diese hingegen Parallel, so erhöht sich
die Stromstärke I (vgl. Kirchhoff’sche Knotenregel).
Abb. 2: Schema eines Daniell-Elements.
AA-2016-06
Abbildung 2 zeigt schematisch eine galvanische Zelle. Die einzelnen Halbzellen werden durch ein Diaphragma voneinander
getrennt. So kann die Diffusion der Elektrolytlösungen nicht
stattfinden. Der Stromfluss kann hingegen durch das Diaphragma erfolgen. Die Elektroden sind über einen Verbraucher
oder einem Messgerät mit einander verbunden.
Batterien sind verschaltete galvanische Elemente. Handelsüblich sind Alkali-Mangan Zellen (früher Zink-Kohle), die parallel
verschaltet sind. Solche Batterien werden als Primärzellen bezeichnet, da diese nur einen Entladezyklus verrichten können.
Abb.1: Versuchsaufbau und Verschaltung.
Sekundärzellen sind sogenannte Akkumulatoren. Nach einem
Entladezyklus kann in einer Elektrolyse der Ausgangzustand
beinahe regeneriert werden, sodass die Zelle nun wieder entladen werden kann. Die verbreiteste Sekundärzelle ist der Lithium-Ionen-Akku.
Im Laufe der Reaktion zersetzt sich eine Elektrode unter Abgabe von Elektronen (Anodische Oxidation) während die andere Elektrode diese Elektronen aufnehmen kann (Kathodische Reduktion). Kommt die Reaktion zum Erliegen, weil einer
der Teilnehmer aufgebraucht ist, so ist das galvanische Element entleert. Für die meisten Anwendungen liefern galvanische Elemente zu wenig Strom I oder Spannung U und damit
Leistung P. Der Strom I wird durch die Elektrolytkonzentration
In diesem Versuch werden zwei galvanische Elemente miteinander verschaltet, um die Stromstärke bzw. die Spannung zu
variieren.
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ACHTUNG: Zinksulfat ist augenschädigend. Stets mit Schutzkittel und Schutzbrille arbeiten. Hautkontakt vermeiden.
und die beiden Halbzellen fest mit den Schrauben verschließen. Der Zelltrog sollte nun dicht sein. In die äußersten Nuten
jeweils eine Elektrode einsetzen. Analog für die anderen beiden Halbzellen (vgl. Abb. 1).
Kupfer- und Zinksulfatlösungen nicht im Ausguss entsorgen.
Versuchsvorbereitung
Gefährdungsbeurteilung
Ansetzen der Lösungen: Es werden jeweils Lösungen mit der
Konzentration 0,1 mol/l benötigt. Für jede Halbzelle werden 80
ml Lösung benötigt.
Kupfersulfat-Lösung, 1 mol/l
Gefahrenhinweise
H411 Giftig für Wasserorganismen, mit
langfristiger Wirkung.
Den Peleusball auf die Messpipette stecken und zunächst 8 ml
Kupfersulfat (1 mol/l) aufziehen. Diese werden in einen 150 ml
Becherglas übergeführt. Nun zu dieser Kupfersulfat-Lösung 72
ml Wasser zugeben und mit einem Glasstab verrühren. Das
Becherglas beschriften. Vorgang wiederholen. Analoges Verfahren, um die Zinksulfat-Lösungen herzustellen, hier aber
eine zweite Messpipette verwenden. Die Lösungen vor dem
Überführen mit einem Glasrührstab verrühren.
Sicherheitshinweise
P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
Signalwort:
Achtung
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).
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, aus Satz 10 .......................... 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.
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 3 und 4a gezeigt, über die
Buchsen (17) verbinden. Für eine Reihenschaltung wird die
eine Zelle mit der benachbarten Zelle verbunden. Dabei wird
eine Kupfer-Elektrode mit einer Zink-Elektrode verbunden (vgl.
Abb. 4a).
M
V
A
N
-
+
Versuchsaufbau und -vorbereitung
Versuchsaufbau
Die Auffangschalen 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
Zink||Kupfer
Zink||Kupfer
Abb. 4a: Reihenschaltung des Versuchs.
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Für eine Parallelschaltung wird die Zink-Elektrode einer Zelle
mit der Zink-Elektrode einer anderen Zelle verbunden und eine
Kupfer-Elektrode mit der anderen Kupfer-Elektrode (vgl.
Abb. 4b).
M
V
A
N
-
+
Tab.1: Gemessene Werte und Beobachtung des Elektromotors.
Messgröße
Parallel
Reihe
Ruhespannung U0
1090 mV
2150 mV
Motor
Läuft
Läuft
Spannung mit Motorbelastung
340 mV
300 mV
Stromstärke mit Motorbelastung
12,5 mA
8,15 mA
Kurzschlussspannung
40 mV
20 mV
Kurzschlussstrom
28 mA
9,8 mA
Ergebnis
Mit beiden Schaltungen konnte der Motor betrieben werden.
Bei der Reihenschaltung hat sich die Ruhespannung verdoppelt (siehe Maschenregel).
Zink||Kupfer
Zink||Kupfer
Abb. 4b: Parallelschaltung des Versuchs.
Versuchsdurchführung
Zunächst die in Reihe geschalteten Zellen untersuchen. In die
Zink-Halbzellen die Zinksulfat-Lösung (0,1 mol/l) einfüllen. Direkt die Kupfersulfat-Lösung (0,1 mol/l) in die Kupfer-Halbzellen 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 negative Buchsen (12) und (7) und Kupfer in die positive Buchsen
(12) und (7) stecken. Spannung und Strom ebenfalls notieren.
Gleiches Vorgehen auch mit den parallel geschalteten Zellen.
Nach beendeter Messung die Zellen in einen Becherglas
(mind. 500 ml) entleeren und den Zelltrog gründlich ausspülen.
Beobachtung
Der Motor dreht sich bei beiden Schaltungen. In den Lösungen
ist eine Stoffumsetzung zu vermuten. In den Zink-Halbzellen
ist ein dunkler Niederschlag zu beobachten.
Auswertung
Nachfolgende Tabelle enthält die experimentell beobachteten
Werte.
Es ist auch zu erkennen, dass die Stromstärke bei der Parallelschaltung größer wird (siehe Stromstärke mit Motorbelastung oder Kurzschlussstrom).
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 kann dann in den anorganischen
Feststoffabfall entsorgt werden.
Zn2+/Cu2+
+
NaOH

Zn(OH)2
+
Cu(OH)2
+
Na+
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