P3.2.5.1 - LD DIDACTIC

Elektrizitätslehre
Grundlagen der Elektrizitätslehre
Elektrizitätsleitung durch Elektrolyse
LD
Handblätter
Physik
Bestimmung
der Faraday-Konstante
P3.2.5.1
Versuchsziele
Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse und Messung des Wasserstoffvolumens V.
Messung der bei fester Spannung U 0 benötigten elektrischen Arbeit W.
Berechnung der Faraday-Konstanten F.
Grundlagen
Bei der Elektrolyse sind der elektrische Stromfluss mit einer
Stoffabscheidung verbunden. Die abgeschiedene Stoffmenge
ist proportional zur transportierten Ladung Q, die den Elektrolyten
durchflossen hat. Die transportierte Ladung kann mit Hilfe
der Faraday-Konstanten F berechnet werden. Diese universelle
Konstante ist über die Avogadro-Zahl N A mit der Elementarladung
e verknüpft:
F = N A ⋅ e
(I)
D.h. die Faraday-Konstante F ist die Ladungsmenge von 1 mol
Elektronen.
Setzt man für die abgeschiedene Stoffmenge die Molzahl n ein
und berücksichtigt man die Wertigkeit z der abgeschiedenen
Ionen, so erhält man für die transportierte Ladung den Zusammenhang
Q = n ⋅ F ⋅ z
Im Versuch wird zur Bestimmung der Faraday-Konstanten
durch Elektrolyse aus Wasser eine bestimmte Menge Wasserstoff
erzeugt. Das bei der Elektrolyse entstehende Wasserstoffgas
wird bei einem äußeren Druck p und einer Raumtemperatur
T aufgefangen und sein Volumen V ausgemessen. Die
Molzahl n 1 der erzeugten Wasserstoffmoleküle berechnet man
mit Hilfe der Idealen Gasgleichung:
(II)
n 1 = pV
RT
mit R = 8,314
J
(universelle Gaskonstante)
mol ⋅ K
(III)
Jedes H + -Ion wird durch ein Elektron aus dem Elektrolysestrom
neutralisiert, d.h. für die Wertigkeit von Wasserstoffionen
gilt z = 1. 1 mol H + -Ionen nimmt also zur Neutralisation 1
mol Elektronen auf und für die Erzeugung von 1 mol H 2 werden
2 mol Elektronen benötigt. Zur Molzahl n 1 der erzeugten Wasserstoffmoleküle
gehört daher die Molzahl
0210-Sel
n = 2 ⋅ pV
RT
der benötigten Elektronen.
Gleichzeitig wird die elektrische Arbeit W gemessen, die bei
konstanter Spannung U 0 für die Elektrolyse aufgewendet wird.
Die gesuchte Ladungsmenge ist dann
(IV)
Q = W U 0
(V)
und für die Faraday-Konstante folgt aus (II), (IV) und (V)
F = 1 2 ⋅ W ⋅ R ⋅ T
U 0 ⋅ p ⋅ V
(VI).
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Geräte
1 Wasserzersetzungsapparat nach Hofmann 664 350
1 Tablett, 6 × 5 RE . . . . . . . . . . . . . 649 45
1 Leistungs- und Energiemesser . . . . . . 531 83
1 DC-Netzgerät 0 … ± 15 V . . . . . . . . 521 45
1 Voltmeter, DC, U 30 V . . . . . . z.B. 531 100
1 Thermometer, −10 C bis + 40 C . . . . . 382 36
Schwefelsäure, verdünnt (ca. 1 mol/l) . . . 674 492
Experimentierkabel
Aufbau
Hinweis: Der Wasserzersetzungsapparat kann nach Abschluss
des Versuchs gefüllt bleiben, so dass er für einen weiteren
Versuch sofort einsetzbar ist.
Der Versuchsaufbau ist in Fig. 1 dargestellt.
Wasserzersetzungsapparat nach Hofmann:
– Wasserzersetzungsapparat gemäß Gebrauchsanweisung
(666 446) aufbauen und in das Tablett stellen.
– Mitte des Niveaugefäßes (a) auf Höhe der Gashähne (b)
anheben und beide Gashähne öffnen.
– Verdünnte Schwefelsäure (ca. 1 mol/l) in das Niveaugefäß
einfüllen, bis der Flüssigkeitspegel die Gashähne erreicht.
– Beide Gashähne schließen.
Elektrische Beschaltung:
– Plus-Pol und Minus-Pol des DC-Netzgeräts an das Buchsenpaar
(c) des Leistungs- und Energiemessers anschließen
und Voltmeter parallel schalten (Messbereich: 30 V-).
– Elektroden des Wasserzersetzungsapparates an das
Buchsenpaar (d) des Leistungs- und Energiemessers anschließen.
Durchführung
Vorbereitung des Wasserzersetzungsapparates.
Zur Sättigung der Flüssigkeit mit Gas:
Sicherheitshinweis
Wegen der geringen Leitfähigkeit von destilliertem Wasser
wird verdünnte Schwefelsäure der Konzentration 1 mol/l
zur Elektrolyse des Wassers verwendet. Verdünnte
Schwefelsäure reizt die Augen und die Haut.
Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit
Wasser abspülen und Arzt konsultieren.
– DC-Netzgerät einschalten, Spannung U 0 = 30 V (zwischen
Plus- und Minus-Pol des Netzgerätes) einstellen und Elektrolyse
ca. 5 min laufen lassen.
– Spannung U 0 abschalten.
– Beide Gashähne vorsichtig öffnen und durch Anheben des
Niveaugefäßes den Säurespiegel bis unmittelbar unter die
Gashähne heben.
– Beide Gashähne schließen.
Leistungs- und Energiemesser:
– Leistungs- und Energiemesser einschalten und 15 min
warm laufen lassen.
– Zeitkonstante 1 s, Strommessbereich 1 A und Spannungsmessbereich
30 V einstellen und Funktionswahlschalter
auf „Ws“ stellen.
Zur Offsetkompensation:
– Steuerschalter auf „Reset“, dann auf „Run“ stellen.
– Mit dem Nullpunktsteller Anzeige zum Stillstand bringen.
– Steuerschalter auf „Reset“ stellen.
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P3.2.5.1
Fig. 1
Versuchsaufbau zur Bestimmung der Faraday-Konstanten mit dem Wasserzersetzungsapparat nach Hofmann.
Messung:
– Spannung U 0 = 30 V einschalten.
– Gasentwicklung an H 2 -Schenkel (Minus-Pol) des Wasserzersetzungsapparates
beobachten und Niveaugefäß nach
unten mitführen, so dass die Flüssigkeitspegel in Niveaugefäß
und H 2 -Schenkel auf gleicher Höhe bleiben.
Sobald der Flüssigkeitsspiegel die 5-ml-Marke erreicht hat:
– Steuerschalter des Leistungs- und Energiemessers auf
„Run“.
Zusatzinformation
Systematische Fehler treten auf durch Lösung vor allem des
Sauerstoffs im Elektrolyten, Haften von Gasblasen an Glaswänden,
Erhöhung der Temperatur des Elektrolyten und des
Gases infolge des Stromdurchgangs.
Der bei der Elektrolyse abgeschiedene atomare Sauerstoff
reagiert teilweise durch Bildung von Perschwefelsäure. Die
aufgefangene Sauerstoffmenge ist daher etwas kleiner als die
ausgeschiedene Sauerstoffmenge. Daher wird die Wasserstoffmenge
zur Auswertung herangezogen.
Sobald der Flüssigkeitsspiegel die 25-ml-Marke erreicht:
– U 0 abschalten und elektrische Arbeit W am Leistungs- und
Energiemesser ablesen.
– Raumtemperatur messen und zusammen mit Luftdruck
p notieren.
Messbeispiel
V 1 = 5 cm 3 , V 2 = 25 cm 3 , = 22 C, p = 1010 hPa
U 0 = 30,0 V, W = 4,65 ⋅ 10 3 Ws
Auswertung und Ergebnis
V = V 2 − V 1 = 20 cm 3 , T = + 273 K = 295 K
Einsetzen der Werte in Gleichung (VI) liefert: F = 94000 As
mol .
Literaturwert: F = 96485 As
mol .
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