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Bericht
Physik

Pauline L. ©

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ID# 2615







1.1 Aufgabenstellung

Mit Hilfe der Elektrolyse soll die Faraday Konstante bestimmt werden.
Dazu werden zwei Kupfer-Elektroden in eine CuSO4-Lösung getaucht und an eine Stromquelle angeschlossen.

Nach Beendigung der Elektrolyse werden die Elektroden gewogen und mit Hilfe der Massendifferenz die Faraday Konstante berechnet.

 

 

1.2 Einführung in die physikalischen Grundlagen

Elektrolyse bezeichnet den Prozess der stattfindet, wenn zwei stromdurchflossene Elektroden in einen Elektrolyten getaucht werden. Die durch Dissoziation gebildeten Ionen leiten den Strom und es kommt zu einer Ionenwanderung unter dem Einfluss des elektrischen Feldes. An der Kathode finden Reduktionsprozesse statt, es werden Elektronen gewonnen. Somit entsteht Wasserstoff oder das Metall aus dem Elektrolyten.
 An der Anode finden Oxidationsprozesse statt, ein Verlust an Elektronen, der zu der Entstehung des Hydroxids oder des jeweiligen Säurerestes führt.                                           Diese Prozesse haben zur Folge, dass das Gewicht der Anode in gleichem Maße sinkt, wie das der Kathode steigt.

Faraday beschrieb diese Zusammenhänge in zwei Gesetzen:

1. Faradaysches Gesetz:      
Die an einer Elektrode abgeschiedene Stoffmenge ist der durch den Elektrolyten hindurchgegangenen Elektrizitätsmenge proportional.

Die Elektrizitätsmenge wird wie folgt dargestellt:                                                     (1)

Das elektrochemische Äquivalent A ist für jeden einzelnen Stoff verschieden, deshalb folgt für die abgeschiedene Stoffmenge:                                                            (2)

(Loschmidtsche Zahl) ist die Anzahl der Ionen die zu einer Elektrode gelangen und die Masse eines Mols M haben. bezeichnet die Wertigkeit der Ionen und e die Elementarladung.                                                                                           (3)

Die Faraday-Konstante ist das Produkt aus der Loschmidtzahl (NL) und der Elementarladung (e). Da es sich bei beiden Zahlen des Produktes um Konstanten handelt, muss die Faraday-Konstante F ebenfalls unabhängig von den Eigenschaften der Ionen sein.                                                                                                     (4)

Aus den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich:                                  (5)

2. Faradaysches Gesetz:
Die durch gleiche Ladungsmenge abgeschiedenen Massen verschiedener Ionen verhalten sich wie ihre Äquivalentmassen   .

 

 

1.3 Versuchsaufbau und –durchführung

       
Abb.1: Versuchsaufbau schematisch

Geräte: Elektrolysezelle, Cu-Elektroden, Gleichspannungsquelle, Widerstand, Amperemeter, Waage, CuSO4-Lösung, Stativmaterial, Fön, Stoppuhr

 

         Abb.2: Versuchsaufbau und Elektrolysezelle

 

Der Versuch wird wie in den Abbildungen dargestellt aufgebaut.                
Der CuSO4-Lösung wird H2SO4 und Alkohol zugefügt, was die H2-Entwicklung an der Kathode unterdrücken soll.                               
Die Elektroden werden vor Versuchsbeginn gründlich mit dem Schmirgelpapier gereinigt, damit keine Rückstände das Versuchsergebnis verfälschen, und gewogen.

Es werden zwei Messungen durchgeführt, mit den unterschiedlichen Stromstärken I1=0,2A und I2=0,5A.             
Jede Elektrolyse dauert 20 Minuten. Nach der Elektrolyse sind die Elektroden zu trockenen und erneut zu wiegen, somit erhält man eine Massendifferenz mit der die Faradaykonstante berechnet werden kann.

 

 

1.4 Auswertung und Fehlerrechnung

Elektrode

Masse in g (vorher)

Masse in g (nachher)

Differenz in g

Anode    bei I=0,2A

31,64

31,57

0,07

Kathode bei I=0,2A

38,32

38,42

0,09

Anode    bei I=0,5A

31,54

31,74

0,2

Kathode bei I=0,5A

38,39

38,21

0,18

Tab.1: Messergebnisse

Elektrode

 in g

m –  in g

(m – )2 in g

bei I=0,2A

0,08

0,01

0,0001

bei I=0,5A

0,19

0,01

0,0001

Tab.2: Fehlerrechnung

Mit Hilfe von Formel (3) wird die Masse pro Mol berechnet:              

 M=0,063478 

Um anschließend die Faraday Konstante mit Hilfe von Formel (6) und die Abweichung vom Tabellenwert (F=96500)  zu berechnen:      

 

Faradaykonstante (berechnet) in

Abweichung in %

bei I=0,2A

  95218

1,32

bei I=0,5A

100229

3,86

Tab.3: Faradaykonstante

                                                   

 

 

 

1.5 Schlussbetrachtung / Fehleranalyse

Durch die beiden Messungen lassen sich zwei Werte für die Faraday Konstante berechnen:

F1=95218         und          F2=100229.

Bei den berechneten Werten ist eine nur sehr geringe Abweichung vom Tabellenwert festzustellen, wobei bei der Messung mit höherer Stromstärke auch ein größerer Fehler auftritt.

Fehler in der Messung können auf Ungenauigkeiten beim Ablesen, Toleranzen von Waage, Uhr, Strommesser und der Stromquelle, als auch auf Fehler bei der Ablesung der Messwerte und Verluste im Elektrolyten zurückgeführt werden.


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