Chemie-Arbeitsblatt _ _ Klasse _ _ _ Name ______________________________________________________________Datum _ _ ._ _._ _

 

Elektrolyse und Faraday-Gesetz

 
1. Faraday-Gesetz:
Die elektrolytisch abgeschiedene Stoffmenge n eines Stoffes X ist der durch den Stromkreis geflossenen Ladung Q proportional.
Pfeil nach rechts
n(X) ≈ Q
2. Faraday-Gesetz:
Die Ladung Q, die zur Abscheidung einer bestimmten Stoffmenge eines Stoffes X benötigt wird, ist proportional der Anzahl an Elektronen z, die für die Bildung des Teilchen X
Pfeil nach rechts
Q ≈ n(X) * z
3. Berechnung der Proportionalitätskonstanten:
Bei der Elektrolyse von Wasser scheiden sich Wasserstoff- und Sauerstoffgas ab. Die folgende Tabelle zeigt den Zusammenhang zum 1. Faraday-Gesetz.
Formel: I*t/n(X)*z=k=F
  U=10 V     I=0,13 A U=20 V     I=0,33 A
t[min] V(H2)[mL] V(O2)[mL] V(H2)[mL] V(O2)[mL]
2 1,8 0,9 4,1 2,1
4 3,5 1,9 8,8 4,5
6 5,1 2,7 13,2 6,7
8 6,9 3,7 17,1 8,8
10 8,7 4,6 21,5 11,0
12 10,4 5,6 25,8 13,2
14 12,1 6,4 30,1 15,4
16 14,0 7,5 34,5 17,8
18 15,6 8,2 38,9 19,9
20 17,3 9,2 43,0 22,0
Allerdings muss das bei einem konkreten Druck (abweichend vom Norm[al]druck 1013 hPa ) und einer konkreten Raumtemperatur (abweichend von der Norm[al]temperatur = 0 °C oder Standardtemperatur = 25 °C) gemessene Volumen erst in ein Normvolumen umgerechnet werden:
Formel: allgemeine Gasgleichung

Pfeil nach unten

p = realer Druck [hPa]
V
= Gasvolumen des realen Gases [L, mL]
T
= reale Temperatur [K]
pn
= Normdruck 1013 hPa
Vm
= molares Gasvolumen [L, mL]
Tn
= Normtemperatur 273 K
Formel: allgemeine GAgleichung nach V aufgelöst Das molare Gasvolumen bezieht sich auf das molare Normvolumen Vmn = 22414 mL/mol bei 273,15 K und 1013 hPa.
Mit der Beziehung
 
Formel: allgemeine Gasgleichung nach n ausgelöst wird Vmn in n(Gas) umgerechnet!    
Arbeitsaufträge:
1. Berechne selbstständig aus der Tabelle - auf jeden Fall verschieden von deinen/m Nachbarn! - n(Gas), also n(H2) und n(O2) für ein konkretes, beliebiges Stromstärke-Zeit-Wertepaar.
2. Berechne daraus für eben dieses Wertepaar die Proportionalitätskonstante k = F! (Faradaykonstante)
3. Der wissenschaftliche Wert der Faraday-Konstante beträgt 96487 C/mol. Diskutiere schriftlich die Gründe für die Abweichung zwischen wissenschaftlichem und experimentell bestimmten Wert.
4. Bestimme die Elementarladung e aus dem wissenschaftlichen Wert der Faraday-Konstante: e = F/NA mit NA = 6,023*1023 Teilchen/mol (die Zahlenfolge 23 wird wegen der Eselsbrücke gewählt!)
5. Bei der Elektrolyse von Kupferchlorid CuCl2 entstehen nach 5 Minuten bei einer Stromstärke von 0,1 A an der Anode 3,8 mL Chlorgas bei einer Temperatur von 22 °C und einem Druck von 1000 hPa.
a) Formuliere die Reaktionsgleichungen für Kathode und Anode!
b) Berechne die geflossene Ladung!
c) Rechne das Chlorvolumen auf Normbedingungen um!
d) Berechne die elektrolytisch abgeschiedene Stoffmenge (mol) an Kupfer und Chlor!
e) Berechne die Stoffportion [g] an Kupfer und Chlor!

 

Lösungen:

Arbeitsaufträge:
1. Berechne selbstständig aus der Tabelle - auf jeden Fall verschieden von deinen/m Nachbarn! - n(Gas), also n(H2) und n(O2) für ein konkretes, beliebiges Stromstärke-Zeit-Wertepaar.

Die Anleitung, wie man aus den Gasvolumina die Teilchenzahl n(H2) und n(O2) errechnet, steht in Zusammenhang Gasvolumen Ladung.pdf

2. Berechne daraus für eben dieses Wertepaar die Proportionalitätskonstante k = F! (Faradaykonstante)

Nach dem I. Faradayschen Gesetz gilt: "Die elektrolytisch abgeschiedene Stoffmenge n eines Stoffes X ist der durch den Stromkreis geflossenen Ladung Q proportional": n(X)  ≈ Q oder n(X)  ≈ I * t mit I in [A] und t in [sec]

Nach dem II. Faradayschen Gesetz gilt: "Die Ladung Q, die zur Abscheidung einer bestimmten Stoffmenge n(X) benötigt wird, ist proportional der Anzahl an Elektronen z, die für die Bildung des Teilchens X aufgenommen oder abgegeben werden": Q  ≈  n(X) * z

Damit ergibt sich aus der Division von Q / n(X) * z eine Proportionalitätskonstante, die Faraday-Konstante:  Q / n(X) * z = k = F

Ermittlung der Faraday-Konstanten für die 1. und 2. Versuchsreihe
Divisionsfaktor 2 4 2 4  
 

V1(H2)

V1(O2)

V2(H2)

V2(O2)

 
 

107.213

100.442

118.156

115.342

 
 

107.515

100.442

110.100

107.653

 
 

112.258

106.022

110.100

108.456

 
 

110.631

103.156

113.319

110.100

 
 

109.678

103.717

112.660

110.100

 
 

110.100

102.235

112.660

110.100

 
 

110.403

104.365

112.660

110.100

 
 

109.051

101.781

112.333

108.862

 
 

110.454

104.729

112.081

109.546

 
 

110.312

103.717

112.660

110.100

 
 

109.761

103.061

112.673

110.036

 
Mittelwert

109.761

103.061

112.673

110.036

 
Abweichung 13,76% 6,82% 16,78% 14,04% 12,85%
  V = 10 V V = 20 V  

 

3. Der wissenschaftliche Wert der Faraday-Konstante beträgt 96487 C/mol. Diskutiere schriftlich die Gründe für die Abweichung zwischen wissenschaftlichem und experimentell bestimmten Wert.

Die Abweichung vom wissenschaftlichen Wert ergibt sich weitgehend aus experimentellen Ungenauigkeiten, die mit der Messung von Gasvolumina verknüpft sind: Luftdruck und Lufttemperatur werden nur ungefähr genau bestimmt, das elektrolysierte Wasser muss sich erst mit den Gasen sättigen, die Ablesegenauigkeit von Volumina ist bei den benutzen Geräten gering. Die Messung der Stromstärke ist ebenfalls nicht besonders genau.

 

4. Bestimme die Elementarladung e aus dem wissenschaftlichen Wert der Faraday-Konstante: e = F/NA mit NA = 6,023*1023 Teilchen/mol (die Zahlenfolge 23 wird wegen der Eselsbrücke gewählt!)

e = F / NA = 96487 C/mol / 60,23 * 1023 = 1,60 * 10-19 C

 

5. Bei der Elektrolyse von Kupferchlorid CuCl2 entstehen nach 5 Minuten bei einer Stromstärke von 0,1 A an der Anode 3,8 mL Chlorgas bei einer Temperatur von 22 °C und einem Druck von 1000 hPa.

a) Formuliere die Reaktionsgleichungen für Kathode und Anode!

Kathodenreaktion = Minus-Pol:   Cu2+(aq)  + 2 e  ̶   ---->  Cu(s)
Anodenreaktion
= Plus-Pol:         2 Cl  ̶  (aq)  ----> Cl2(g)  +  2 e  ̶

b) Berechne die geflossene Ladung!

Q = 0,1 A * 300 s = 30 As = 30 C

c) Rechne das Chlorvolumen auf Normbedingungen um!

Unter Normbedingungen ergibt sich für das Chlorvolumen: p * V(X) / T  =  pn + Vmn(Cl2) / Tn

Vmn(Cl2) = p * V(Cl2) * Tn / pn * T  =  1000 hPa * 3,8 mL * 273 K / 1013 hPa * 295 K = 3,5 mL

d) Berechne die elektrolytisch abgeschiedene Stoffmenge (mol) an Kupfer und Chlor!

Damit ergibt sich die Stoffmenge an Chlor: n(Cl2) = Vmn(Cl2) / Vmn = 3,5 * 10-3 L / 22,4 l*mol-1 = 0,00016 mol


e) Berechne die Stoffportion [g] an Kupfer und Chlor!

Aus der Reaktionsgleichung wird deutlich, dass für ein Mol Chlor-Moleküle ein Mol Kupfer-Atome abgeschieden werden. Die damit abgeschiedene Stoffmenge an Kupfer n(Cu) = 0,00016 mol.

Stoffportion m(Cl2) = 0,01136 g    Stoffportion m((Cu) = 0,01 g

Siehe dazu auch Elektrolyse und Faraday-Gesetz im pdf-Format und  Elektrolyse und Faraday-Gesetz im WordPerfect-Format

update: 18.10.2017                                                                                                                                                                               zurück        zur Hauptseite