Elektrochemie, Bestimmung von Standardpotentialen, Praktikum

Guten Tag lieber Gast, um »treffpunkt-naturwissenschaft.com« vollständig mit allen Funktionen nutzen zu können, sollten Sie sich erst registrieren.
Benutzen Sie bitte dafür das Registrierungsformular, um sich zu registrieren. Falls Sie sich bereits zu einem früheren Zeitpunkt registriert haben, können Sie sich hier anmelden.

Antworten

SCL97

unregistriert

Samstag, 9. Januar 2016, 18:25

Elektrochemie, Bestimmung von Standardpotentialen, Praktikum

Hallo zusammen,

in der Schule mussten wir die Standardpotentiale von Zn/Zn2+ und Cu/Cu2+
experimentell bestimmen. Dazu haben wir ein galvanisches Element
aufgebaut mit den Halbzellen: Zinksulfat (c=1 mol/l) / eine
Salzsäurelösung (c=1 mol/l)Kupfersulfat (c=1 mol/l) / eine
Salzsäurelösung (c=1 mol/l)Die Elektroden bestanden dabei bei den
Metalllösung aus dem ensprechenden Metall (Zn/Cu) und bei der
Salzsäurelösung war es eine platinierte Platinelektrode. Dann haben wir
den Pluspol an die Zink-/Kupferelektrode befestigt und den Minuspol an
die Platinelektrode und bei einer Spannung von 5V für eine Minute
elektrolysiert.

Meine Frage lautet nun: Was passiert, was passiert bei der Elektrolyse
dieser Zellen? Welche Stoffe entstehen und was passiert, wenn man danach
diese Zellen wieder kurzschließt? Also mir ist klar, dass beim Kurzschluss der Zellen sich ungefähr das
Standardpotential einstellt. Somit steht fest, welche Reaktionen
ablaufen, aber was passiert bei der Elektrolyse? Normalerweise ist bei
einer Elektrolyse kein Diapraghma dabei, wodurch man ja nur eine Lösung
hat. Da es sich um wässrige Lösungen handelt und nicht um Schmelzen
müssen die Potentiale von Wasser und die Bedingungen(pH-Wert)
berücksichtigt werden und rechnet diese mithilfe der Nernst-Gleichung
um. Dann sucht man sich die Reaktionen raus, die miteinander möglich
sind und gleichzeitig die geringste Spannungsdifferenz aufweisen. Diese
Reaktionen laufen dann jeweils ab, oder?

Aber hier habe ich doch ein Diapraghma dazwischen und unterschiedliche pH-Werte in den beiden Halbzellen

Die Metallredoxpaare können ja nicht an der Elektrolyse beteiligt sein,
da ihre Konzentration bei 1 mol/l bleiben muss, damit sich später beim
Kurzschluss der Zellen das Standardpotential am Messgerät einstellt...
Ich bitte um eine schnelle Antwort, weil ich mit meinem Protokoll überhaupt nicht weiter komme... Vielen Dank im Voraus!

Zum Seitenanfang
Zitieren

Friedrich Karl Schmidt

Beiträge: 1 468

Registrierungsdatum: 8. März 2013

Sonntag, 10. Januar 2016, 05:02

Zitat von »SCL97«

in der Schule mussten wir die Standardpotentiale von Zn/Zn2+ und Cu/Cu2+
experimentell bestimmen. Dazu haben wir ein galvanisches Element
aufgebaut mit den Halbzellen: Zinksulfat (c=1 mol/l) / eine
Salzsäurelösung (c=1 mol/l)Kupfersulfat (c=1 mol/l) / eine
Salzsäurelösung (c=1 mol/l)Die Elektroden bestanden dabei bei den
Metalllösung aus dem ensprechenden Metall (Zn/Cu) und bei der
Salzsäurelösung war es eine platinierte Platinelektrode. Dann haben wir
den Pluspol an die Zink-/Kupferelektrode befestigt und den Minuspol an
die Platinelektrode und bei einer Spannung von 5V für eine Minute
elektrolysiert.

Was Sie schreiben wirft mich auf Vermutungen zurück. Dennoch scheint es mir der beste Weg zu sein, diese einmal darzulegen.

Wenn man das Potenzial einer Elektrode, besser gesagt das Potenzial einer Halbzellenreaktion bestimmen will, so benötigt man eine Vergleichselektrode mit bekanntem Potenzial. Für diesen Zweck gibt es geeignete Messelektroden.

Dafür zwar weniger geeignet ist die Wasserstoffstandardelektrode, deren Vorteil für Schüler aber darin besteht, dass man dieser das Potenzial Null zugeordnet hat, bei der Messung also das gesuchte Potenzial unmittelbar angezeigt wird, während man anderfnalls eine Differenz bilden müsste, wobei es dann für manche Schüler schon einmal ein Problem ist, zu erkennen , welcher Wert von welchem abzuziehen ist. Aber das soll hier erst einmal nicht das Thema sein.

Wie realisiert man eine Wasserstoffstandardelektrode. Zugrunde liegt die Reduktionsteilreaktion \[ 2 \ H^+ \ + \ 2 \ e^- \ <-> \ H_2 \] Nun kann man gasförmigen Wasserstoff schlecht als Elektrodenmaterial nehmen. Und dies allein schon deshalb, weil H2 kein Elektronenleiter ist. Dem hilft man dadurch ab, dass der Wasserstoff in einem dafür geeigneten Metall gelöst wird. Ein solches Metall ist Platin .

Nun verändert sich ein Potential mit den AKtivitäten der Reaktionspartner , hier also mit den Aktivitäten von H+ und H2. Um mich erst einmal nicht über den Begriff der Aktivität verbreiten zu müssen , spreche ich von Konzentrationen und Partialdrucken Bei der H+ - Aktivität ist der Standardzustand a(H+) = 1 wie bei Kationen allgemein üblich der Konzentration c(H^+) = 1 mol/L zugeordnet . Genauer gesagt dem pH-Wert 0 . Denn der pH := - lg a entspricht nur ungefähr dem pH = - lg c(H+) * L/mol.

Der Standardwert von Gasen entspricht dem so genannten Standarddruck von p = 1,013 bar. Im Fall des Wasserstoffs also p(H2) = 1,013 bar.

Wenn also der Atmosphärendruck gerade 1,013 bar betragen würde, dann müsste man nur ein unedles Metall in Wasser tauchen und dies solange immer stärker ansäuern, bis sich die ersten H2 - Blasen bilden, denn Blasen können sich erst dann bilden , wenn der Gasdruck der die umgebende Flüssigkeit wegschieben muss, um der Blase Raum für Ihr Entshehen zu verschaffen - hier also der Gleichgewichtspartialdruck p(H2) - mindestens genau so groß ist , wie der auf der Flüssigkeitsoberfläche lastende Atmosphärendruck Wenn dieser also 1,013 bar beträgt, dann hätten unsere H2 -Gasblasen mit p(H2) = 1,013 bar genau den Druck, der der Standardaktivität des H2 Gases entspricht.

Nun kann man diese H2 - Blasen mit p(H2) = 1,013 bar aber auch durch Elektrolyse erzeugen. Und zwar mit Platin als Kathode, indem man die Spannung einer Elektrolysezelle so lange erhöht, bis an der Platinkathode Wasserstoffblasen entstehen. Wobei man als Anode alles Mögliche ,zum Beispiel aber auch Cu2+/Cu oder Zn2+/Zn als Anode verwenden kann . Einzig wichtig ist lediglich, dass möglichst kein anderes Gas zur Bildung der Blasen an der Kathode beiträgt.
a) warum ist das wichtig ?
b) welches "Gas" trägt hier unvermeidbar bei ?
Womit klar ist, des es genügt, wenn andere Gase nur mit so niedrigem Partialdruck "dabei" sind, dass auch deren Summe den Messfehler nicht über den angedachten Höchstwert hinaus ansteigen lässt.

Jetzt sollte auch klar sein, warum man vor der eigentlichen Messung elektrolysiert : Das Platin soll mit Wasserstoff von p(H2) = 1,013 bar gesättigt werden. Hier mache ich mal Pause , damit Sie erst einmal über das nachdenken können, was ich bis jetzt geschrieben habe.

Gruß FKS

Zum Seitenanfang
Zitieren

SCL97

unregistriert

Sonntag, 10. Januar 2016, 14:21

AW

Zunächst erstmal vielen Dank für Ihre Antwort.
Ich habe Ihren Beitrag, denke ich, bis dahin ganz gut verstanden.

Zitat von »Friedrich Karl Schmidt«

Nun kann man diese H2 - Blasen mit p(H2) = 1,013 bar aber auch durch Elektrolyse erzeugen. Und zwar mit Platin als Kathode, indem man die Spannung einer Elektrolysezelle so lange erhöht, bis an der Platinkathode Wasserstoffblasen entstehen. Wobei man als Anode alles Mögliche ,zum Beispiel aber auch Cu2+/Cu oder Zn2+/Zn als Anode verwenden kann . Einzig wichtig ist lediglich, dass möglichst kein anderes Gas zur Bildung der Blasen an der Kathode beiträgt.
a) warum ist das wichtig ?
b) welches "Gas" trägt hier unvermeidbar bei ?
Womit klar ist, des es genügt, wenn andere Gase nur mit so niedrigem Partialdruck "dabei" sind, dass auch deren Summe den Messfehler nicht über den angedachten Höchstwert hinaus ansteigen lässt.

Ich denke, dass dieses andere Gas wohl Sauerstoff sein muss.. Aber diese entsteht doch hauptsächlich durch Oxidation von 0H- oder H2O? Durch die Elektrolyse wird jedoch an der Kathode, in diesem Fall die Platinelektrode mit einer 1molaren Salzsäure, vorwiegend reduziert, wie kann dann O2 entstehen? Es könnte theoretisch auch Cl2 entstehen, da sich auch Cl- in Lösung befindet. Aber dies kann ja auch nur durch Oxidation entstehen...
Dieses weitere Gas muss also irgendwie später beim Kurzschluss der Zellen das Potential beeinflussen. Aber wie? Den Druck kann es ja nicht verändern, da dieser durch den Atmosphärendruck bestimmt wird, der auf die Flüßigkeit lastet. Also muss ein weiteres Redoxpaar miteinspielen, das einen Messfehler hervorruft, oder?

Das Ziel ist es ja Standardbedinungen zu erhalten, um später beim Kurzschluss der Zellen das Standardpotential direkt angezeigt zu bekommen. Aber wird durch die vorherige Elektrolyse die Konzentration von Cu2+/Zn2+ und H+ nicht verändert?

Gruß SCL97