Bei diesem Text handelt es sich um ein Protokoll für Messungen an einem Galvanischen Element. Im enthaltenen Versuch wird das elektrische Potential einer galvanischen Halbzelle gemessen sowie die Elektromotorische Kraft (EMK) zu bestimmen versucht.
Als galvanisches Element wird eine elektrochemische Zelle bezeichnet, die aus mindestens zwei Halbzellen besteht. Diese werden elektrisch leitend verbunden, etwa, wie in diesem Versuch, durch eine Salzbrücke aus kaliumchloridlösungsgetränktem Zellstoff. Die beiden Halbzellen sind dann jeweils mit einem Elektrolyt (hier Kupfer-/Zinksulfatlösung) sowie den jeweils korrespondierenden Metallen (Kupfer/Zink) als Elektroden bestückt.
Die im Versuch aufzunehmende elektrochemische Spannungsreihe ist eine durch aufsteigendes Ordnen der Spannungspotentiale erstellte Redoxreihe. Da die oxidierte Form eines Redoxsystems nur Elektronen von reduzierten Formen aufnimmt, die über sich in der Spannungsreihe liegen, kann anhand der Spannungsreihe bestimmt werden, ob eine Redoxreaktion abläuft.
Im Versuch wird eine recht einfache galvanische Halbzellenanordnung mit Kupfer und Zink verwendet. Dieser Aufbau ist auch als Daniell-Element bekannt und wurde lange Zeit als Stromquelle genutzt. Aufgrund der geringen Leistung findet sie heute hauptsächlich nur noch in der Lehre Anwendung.
Inhaltsverzeichnis
1. Ziel des Versuches
2. Theorie
3. Reaktionsgleichung
4. Versuchsaufbau
5. Versuchsdurchführung
6. Messwerte und Auswertung
7. Zusammenfassung
8. Literatur
1. Ziel des Versuches
In folgenden Versuch wird das elektrische Potential einer galvanischen Halbzelle gemessen sowie die Elektromotorische Kraft (EMK) zu bestimmen.
2. Theorie
Wenn zwischen Reaktionspartnern Elektronen ausgetauscht werden, kann ein Potentialunterschied festgestellt/gemessen werden. Bei diesem Austausch kommt es als Redoxreaktion zu einem Elektronentransfer von einem Partner zu anderen. Die Elektronenaufnahme stellt dabei die Reduktion, die Abgabe die Oxidation dar. Hierbei gibt die Oxidationszahl eines Elements die durch Oxidation, bzw. Reduktion, erreichbare Ladungszahl an. Dabei gilt, dass die maximale Oxidationszahl über die Gruppennummer im PSE angegeben ist.
Zu jedem Oxidationsmittel gibt es entsprechendes Reduktionsmittel. Diese Beziehung heißt auch korrespondierendes Redoxpaar. Ein Beispiel wäre Na und Na+.
Jeder Stoff hat eine andere Tendenz zur Ausprägung dieses Paares. Je stärker die Tendenz zur oxidierten Form ist, desto schwächer fällt die Tendenz zur reduzierten Form aus. Dieses Verhalten zu unterschiedlichen Reduktions-, bzw. Oxidationsvermögen, wird mittels des Redoxpotentials E beschrieben.
Bestimmt wird das Redoxpotential mittels des Nernst’schen Verteilungssatzes:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
E0 beschreibt das Standardpotential, R die allgemeine Gaskonstante, T die Temperatur in Kelvin, z die Ladungszahl und F ist die Faraday-Konstante.
Setzt in diese Formel die Konstanten ein, sowie geht von einer Standardraumtemperatur von 25°C/298K aus, so ergibt sich nach Umformung in den dekadischen Logarithmus:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Eine direkte Messung des Potentials ist nicht möglich, lediglich der Spannungsunterschied zu einem anderen Potential. Um das Potential dennoch bestimmen zu können wird daher ein galvanisches Element aufgebaut.
Als galvanisches Element wird eine elektrochemische Zelle bezeichnet, die aus mindestens zwei Halbzellen besteht. Diese werden elektrisch leitend verbunden, z.B. wie in diesem Versuch durch eine Salzbrücke aus kaliumchloridlösungsgetränktem Zellstoff. Die beiden Halbzellen sind dann jeweils mit einem Elektrolyt (hier Kupfer-/Zinksulfatlösung) sowie den jeweils korrespondierenden Metallen (Kupfer/Zink) als Elektroden bestückt. Die so elektronenabgebenden Zellen werden Donator-Halbzellen, die aufnehmenden Akzeptoren-Halbzellen genannt. Die Donatorzellen bilden dementsprechend die Anode, die Akzeptorenzellen die Kathoden.
Durch die so resultierenden Potentialtöpfe kann dann das Redoxpotential als Differenz der Halbzellen bestimmt werden:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Um das Potential qualitativ angeben zu können wurde die Standardwasserstoffelektrode als neutrale Bezugsquelle und Null-Definition gewählt.
Die im Versuch aufzunehmende elektrochemische Spannungsreihe ist eine durch aufsteigendes Ordnen der Spannungspotentiale erstellte Redoxreihe. Da die oxidierte Form eines Redoxsystems nur Elektronen von reduzierten Formen aufnimmt die über sich in der Spannungsreihe liegen, kann anhand der Spannungsreihe bestimmt werden ob eine Redoxreaktion abläuft.
Im vorliegenden Versuch wird eine recht einfache galvanische Halbzellenanordnung mit Kupfer und Zink verwendet. Dieser Aufbau ist auch als Daniell-Element, benannt nach John Frederic Daniell der sie 1836 entdeckte, bekannt und wurde lange Zeit als Stromquelle genutzt. Aufgrund der geringen Leistung findet sie heute hauptsächlich nur noch in der Lehre Anwendung.
Die Leistung selbst ist als
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
beschrieben.
Die maximale Leistung wird bei maximalem Flächeninhalt erreicht, was bei
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erreicht ist. Der für eine maximal belastete Zelle gültige Lastwiderstand errechnet sich nach Ohmschen Gesetz zu:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die dabei auftretende Verlustleistung hängt vom Innenwiderstand der Zelle ab (RInnen): [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
3. Reaktionsgleichung
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
4. Versuchsaufbau
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Der EMK-Wert wird mittels eines Voltmeters aufgenommen. Hierzu werden die Elektroden direkt mit dem Messgerät verbunden.
b. Aufnahme des Spannungswerte
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Im zweiten Versuchsteil wird eine Widerstandsdekade parallel zum Voltmeter angeschlossen und es werden verschiede Widerstände geschaltet.
5. Versuchsdurchführung
Es wird ein 150ml Becherglas mit etwa 100ml 0,1 molarer Kupfer(II)sulfatlösung gefüllt,
sowie ein weiteres, welches mit 100ml 0,1 molarer Zinksulfatlösung befüllt wird. Die Kupfer- und die Zinkelektroden sind in einer Kunststoffhalterung befestigt und werden zunächst abgeschmiergelt. Durch zwei Löcher in der Halterung wird ein Zellstoffstück gedreht, was anschließend Kaliumchlorid getränkt wird. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass die Elektroden nicht berührt oder gar kurzgeschlossen werden. Anschließend wird die Halterung in die Bechergläser getaucht, wobei die Kupferelektrode in die Kupfersulfatlösung muss, sowie die Zinkelektrode in die Zinksulfatlösung. Mittels Krokodilklemme können nun die Elektroden mit einem Voltmeter verbunden, und so der EMK-Wert abgelesen und notiert werden.
Im weiteren Verlauf wird eine Widerstandsdekade mit dem Bereich 10 kΩ-110 kΩ eingesetzt und absteigend durchgegangen, sowie dabei die jeweils resultierenden Spannungen notiert.
6. Messwerte und Auswertung
a. Messwerte
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b. Auswertung
Da Zink ein größeres Bestreben als Kupfer hat zu Ionisieren, findet hier ein Elektronenaustausch vom Zink zum Kupfer statt.
Grafisch ausgewertet sieht dies wie folgt aus:
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Excel ermittelt die Regressionsgerade zu:
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Der Innenwiderstand der ergibt sich so zu:
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Das Redoxpotential E0 lautet somit:
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Durch Null-Setzen der Gleichung erhält man den Kurzschlusstrom:
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c. Bestimmen des Gesamtpotentials
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Zur Berechnung des Gesamtpotentials des galvanischen Elements werden die aus der elektrochemischen Spannungsreihe entnehmbare Standardpotentiale E0 der verwendeten Redoxpaare Zn/Zn2 + und Cu/Cu2 + verwendet.
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Mittels Einsetzen der Potentialwerte in die vereinfachte Nernst`schen
Verteilungssatzes ergibt sich:
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Die Potentialdifferenz, die gleichzeitig das Gesamtpotential beschreibt, bestimmt sich zu:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Da die Konzentrationen im Daniell-Element in beiden Zellen gleich sind entfällt die Konzentrationenbetrachtung und es kann mit den Standardpotentialen gerechnet werden.
7. Zusammenfassung
Die Werte ließen sich gut bestimmen und die Wirkungsweise von Batterien, bzw. von Akkus lässt sich sehr schön mittels diesem Experiment deutlich und verständlich gemacht werden.
8. Literatur
1. Erwin Riedel: „Anorganische Chemie“, 4. Auflage, Walter de Gruyter-Verlag, Berlin; New York, 1999
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- Quote paper
- Konstantin Krummel (Author), 2012, Messung einer galvanischen Halbzelle und Bestimmung der Elektromotorischen Kraft eines Galvanischen Elements, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/373155
