Skript zum AC-Teil - Anorganische Chemie, AK Röhr, Freiburg

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10 KAPITEL 1. ELEKTROCHEMIE 1 Theorie Die Hofmann-Apparatur eignet sich zur Klärung mehrerer Sachverhalte. Zum einen lässt sich mit ihrer Hilfe die Zusammensetzung des Wassers bestimmen, zum anderen lassen sich die Faradayschen Gesetze bestätigen. Die Elektrolyse der Schwefelsäure führt zu den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff, die sich herkömmlich nachweisen lassen. Zur Bestätigung der Faradayschen Gesetze werden die während des Versuchs notierten Messwerte herangezogen. Das erste Faradaysche Gesetz sagt aus, dass die elektrochemisch abgeschiedene Masse m eines Stoffes proportional ist zu der durch den Elektrolyten geflossenen Ladungsmenge Q. m ∼ Q Statt der Masse kann auch das Volumen des Gases verwendet werden, da dies über die Dichte ebenso proportional mit der Masse zusammenhängt (m ∼ V) und damit die obige Proportionalität gewahrt bleibt. V ∼ Q (Die Ladung lässt sich sich nach Q = I · t berechnen.) Aufgrund der genannten Proportionalität muss eine Auftragung der Masse gegen die Ladungsmenge folglich eine Gerade ergeben. Das zweite Faradaysche Gesetz sagt aus, dass durch die Ladungsmenge von einem Mol Elektronen genau ein Mol eines einwertigen Ions (z.B. Ag + ) abgeschieden wird. Bei Abscheidung eines höher geladenen Ions erniedrigt sich die abgeschiedene Stoffmenge entsprechend (z.B. 1 mol e − scheiden 0,5 mol Cu 2+ ab). n = Q F·z Die Ladungsmenge, die einem Mol Elektronen entspricht, bezeichnet man als Faradaysche Konstante F = 96490 C mol . Diese lässt sich mit Hilfe des eben erwähnten Gesetzes experimentell bestimmen. Die benötigte Stoffmenge n lässt sich mit der allgemeinen Gasglei- chung aus dem Gasvolumen berechnen. Da zur Bildung eines Wasserstoffmoleküls aus Wasser zwei Elektronen notwendig sind, ergibt sich für die Variable z der Wert 2. Die Ladung berechnet sich nach Q = I · t. Literatur Handbuch der Experimentellen Chemie Sekundarbereich II, Band 6, S.146, s. [2]
1.3. ZERSETZUNGS- UND ÜBERSPANNUNG 11 1.3 Zersetzungs- und Überspannung Geräte • Regelbare Gleichspannungsquelle • (0...3 V) • Amperemeter (0...1 A) • Platinelektroden • Bleistiftminen (∅ 0,9 mm) • Verbindungskabel • 250-ml-Becherglas • Krokodilklemmen • Stativmaterial Chemikalien • Schwefelsäure, c(H2SO4) = 0,5 mol l • Salzsäure, c(HCl) = 1 mol l Platinelektrode Bleistiftmine Krokodilklemme 8 V + − 125 mA + − 10V 0V 20V + − Abb. 1.3: Bestimmung der Überspannung an Platin- bzw. Graphitelektroden Durchführung Man befestigt die Elektroden so, dass sie in das Becherglas mit Salz- bzw. Schwefelsäure eintauchen. Die Elektroden werden mit der regelbaren Spannungsquelle verbunden. In den Stromkreis schaltet man ein Amperemeter. Die an den Elektroden anliegende Spannung wird mit einem Voltmeter gemessen. Es werden 4 Elektrolysen durchgeführt: 1. Salzsäure: (a) Pluspol: Platinelektrode - Minuspol: Platinelektrode (b) Pluspol: Graphitmine - Minuspol: Platinelektrode 2. Schwefelsäure: (a) Pluspol: Platinelektrode - Minuspol: Platinelektrode (b) Pluspol: Graphitmine - Minuspol: Platinelektrode Im folgenden werden die Strom/Spannungs- Wertepaare in eine Wertetabelle eingetragen. Zunächst bleibt der Drehknopf der Spannungsquelle in Nullstellung. Man notiert die möglicherweise schon vorhandenen Strom/Spannungswerte. Nun erhöht man die Spannung in Schritten von 0,1 V und notiert die Wertepaare bis die Stromstärke ca. 50 mA erreicht hat. Auswertung 1. Tragen Sie für jede Elektrolyse in einem Diagramm die Strom- gegen die Spannungswerte auf. Ermitteln Sie hieraus die jeweiligen experimentellen Zersetzungsspannungen. 2. Formulieren Sie für jede Elektrolyse die Gleichungen für die Teilprozesse an Anode und Kathode. 3. Berechnen Sie die jeweiligen theoretischen Zersetzungsspannungen aus den Redoxpotentialen der Redoxpaare und bestimmen Sie mit Hilfe der Versuchsergebnisse die Überspannung von Sauerstoff. Theorie Die Elektrolysereaktionen sind die Umkehrung der entsprechenden spannungsliefernden Reaktionen eines galvanischen Elements. Um eine
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