Chemie-Arbeitsblatt _ _ Klasse _ _ _ Name __________________________________________________________________Datum _ _ ._ _._ _

 
Quantitative Aspekte der Elektrolyse
 

Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff- und Sauerstoffgas zersetzt. Lässt man umgekehrt Wasserstoff- und Sauerstoffgas in einer Brennstoffzelle miteinander reagieren, kann man daraus direkt elektrischen Strom gewinnen. Auf diese Weise bekommt z.B. ein Brennstoffzellenmotor seine Energie zum Betrieb eines Fahrzeugs. Die Energie zum Zerlegen von Wasser kann z.B. aus Sonnenenergie gewonnen werden über die sog. Photovoltaik (Umwandlung von Lichtenergie in elektrischen Strom).
Welche quantitativen Zusammenhänge existieren nun zwischen der Menge des geflossenen Stroms und den abgeschiedenen Stoffmengen? Zur Klärung dieser Frage wird in einem Hoffmann'schen Wasserzersetzungsapparat mit Schwefelsäure versetztes Wasser [c(H2SO4) = 0,5 mol/l] für eine definierte Zeit mit einer ganz bestimmten Gleichspannung und Stromstärke elektrolytisch zerlegt. Die Messergebnisse werden in den folgenden Tabellen notiert. Die Versuche werden gruppenarbeitsteilig durchgeführt. Die vorgegebene Spannung wird am Gerät eingestellt, die Stromstärke während des Betriebs gemessen.
Versuchsdurchführung:
1. Notiere zuerst Luftdruck: ______ hPa, und Raumtemperatur: ____ ̊C
2. Kontrolliere die Funktionsfähigkeit der Versuchsanordnung (Füllstand in beiden Schenkeln des Wasserzersetzungsapparats, eingestellte Spannung, Kabelverbindungen u.a.)

3. Beobachte ständig das Ausgleichsgefäß: wenn es überzulaufen droht, entnimmt mit der Pipette entsprechend viel Schwefelsäure!
Arbeitsaufträge:
1. Notiere die Volumina Wasserstoff- und Sauerstoffgas in Abhängigkeit von der Zeit!
2. Stelle für deinen Versuch die Messergebnisse auf Millimeter-Papier graphisch dar!
3. In welchem Verhältnis stehen die Volumina Wasserstoff und Sauerstoff bei allen Messungen?
3. Welcher quantitative Zusammenhang besteht zwischen dem abgeschiedenen Gasvolumen, der Art des Gases, Stromstärke und der Zeit?
4. Berechne den Zusammenhang zwischen geflossener Ladung und der Stoffmenge n(X) mit X=H2 bzw. O2
Zusatzinformation:
Messwerte-Tabelle:
t [min] 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20  
V(H2) [ml]                     U = 8 V
I = _____ mA
V(O2) [ml]                    
V(H2) [ml]                     U = 10 V
I = _____ mA
V(O2) [ml]                    
V(H2) [ml]                     U = 12 V
I = _____ mA
V(O2) [ml]                    
V(H2) [ml]                     U = 14 V
I = _____ mA
V(O2) [ml]                    
V(H2) [ml]                     U = 20 V
I = _____ mA
V(O2) [ml]                    

 

Lösungen:

Arbeitsaufträge:
1. Notiere die Volumina Wasserstoff- und Sauerstoffgas in Abhängigkeit von der Zeit!
t [min] 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20  
V(H2) [ml] 2 3,2 4,4 5,6 6,8 8 9,2 10, 11,6 12,8 U = 8 V
I = _____ mA
V(O2) [ml] 1 2 2,8 3,2 3,8 4,4 5 5,6 6,2 6,8
V(H2) [ml] 4,2 4,8 6,8 8,6 10,6 12,6 14,4 16,3 18,2 20 U = 10 V
I = _____ mA
V(O2) [ml] 3,3 3,4 4,2 5,2 6,2 7,2 8,2 9,1 10,1 11
V(H2) [ml] 3,8 6,4 9,0 11,4 13,8 16,4 19 21,4 24,2 26,2 U = 12 V
I = _____ mA
V(O2) [ml] 3,4 3,6 5,0 6,6 7,4 8,6 9,8 11,0 12,8 13,8
V(H2) [ml] 3,8 7,8 12,0 15,4 18,0 21,8 25,0 29,8 33,2 36,6 U = 14 V
I = _____ mA
V(O2) [ml] 2,0 4,0 6,2 8,0 9,4 11,2 13,0 15,6 17,4 19,0
V(H2) [ml] 5,8 10,5 15,2 18,6 24,3 29,4 35,1 42,7 --- --- U = 20 V
I = _____ mA
V(O2) [ml] 3,8 6,1 8,3 10,6 13,0 15,2 17,8 21,4 --- ---

 

2. Stelle für deinen Versuch die Messergebnisse auf Millimeter-Papier graphisch dar!

Neben dieser Darstellungsart gibt es noch andere Möglichkeiten.
3. In welchem Verhältnis stehen die Volumina Wasserstoff und Sauerstoff bei allen Messungen?

Bei allen Messungen ist das Volumen Wasserstoff ungefähr doppelt so groß wie das Sauerstoff-Volumen. Die Volumina von Wasserstoff und Sauerstoff stehen also im Verhältnis 2 : 1 .

 

3. Welcher quantitative Zusammenhang besteht zwischen dem abgeschiedenen Gasvolumen, der Art des Gases, Stromstärke und der Zeit?

Unabhängig von der verwendeten Spannung ist das abgeschiedene Gasvolumen der Zeit proportional: t ≈ V(Gas)

Unabhängig von der Zeit ist das abgeschiedene Gasvolumen der angelegten Spannung proportional: V(Gas) ≈ U

Unabhängig von der Zeit und der angelegten Spannung ist das abgeschiedene Gasvolumen von der Art des Gases abhängig (s.o.)

Da ursächlich nicht die Spannung für die Abscheidung verantwortlich ist, sondern die Stromstärke, die wiederum der Spannung proportional ist, muss es heißen: Das abgeschiedene Gasvolumen ist der Zeit und der Stromstärke proportional: V(Gas) ≈ I * t

 

4. Berechne den Zusammenhang zwischen geflossener Ladung und der Stoffmenge n(X) mit X=H2 bzw. O2

Bei einem Druck von 1013 hPa und einer Temperatur von 25 °C ändert sich das Molare (Norm)Volumen Vmn von 22414 mL auf 24467 mL.

Die Stoffmenge errechnet sich aus der Gleichung n(Gas) = V(Gas) / Vmn(Gas) (1) und der Allgemeinen Zustandsgleichung der Gase:

p * V / T = pn * Vmn / Tn (2) mit pn = 1013 hPa und Tn = 273K = 0 °C. T = 25 °C = 298 K.

Zusammenhang zwischen abgeschiedener Stoffmenge und Ladung Q = I*t [A*s] bei U=10V

t [min]

n(H2)

n(O2)

I*t [As]

I*t/n(H2

%Abw-MW

I*t/n(O2)

%Abw-MW

k(H2)/k(O2)

2

7,28E-05

3,88E-05

15,60

214.426

-2,32%

401.767

-2,54%

0,53

4

1,45E-04

7,77E-05

31,20

215.030

-2,05%

401.767

-2,54%

0,54

6

2,08E-04

1,10E-04

46,80

224.517

2,27%

424.087

2,87%

0,53

8

2,82E-04

1,51E-04

62,40

221.263

0,79%

412.625

0,09%

0,54

10

3,56E-04

1,88E-04

78,00

219.355

-0,08%

414.868

0,64%

0,53

12

4,25E-04

2,29E-04

93,60

220.199

0,31%

408.941

-0,80%

0,54

14

4,95E-04

2,62E-04

109,20

220.806

0,58%

417.461

1,27%

0,53

16

5,72E-04

3,07E-04

124,80

218.102

-0,65%

407.124

-1,24%

0,54

18

6,36E-04

3,35E-04

140,40

220.907

0,63%

418.915

1,62%

0,53

20

7,07E-04

3,76E-04

156,00

220.623

0,50%

414.868

0,64%

0,53

 

MW

219.523

-0,00

412.242

0,00%

0,53

 

Zusammenhang zwischen abgeschiedener Stoffmenge und Ladung Q = I*t [A*s] bei U=20V

t [min]

n(H2)

n(O2)

I*t

I*t/n(H2)

%Abw-MW

I*t/n(O2)

%Abw-MW

k(H2)/k(O2)

2

1,68E-04

8,58E-05

39,60

236.311

4,87%

461369

4,82%

0,51

4

3,60E-04

1,84E-04

79,20

220.199

-2,28%

430612

-2,17%

0,51

6

5,40E-04

2,74E-04

118,80

220.199

-2,28%

433825

-1,44%

0,51

8

6,99E-04

3,60E-04

158,40

226.638

0,57%

440398

0,06%

0,51

10

8,79E-04

4,50E-04

198,00

225.320

-0,01%

440398

0,06%

0,51

12

1,05E-03

5,40E-04

237,60

225.320

-0,01%

440398

0,06%

0,51

14

1,23E-03

6,29E-04

277,20

225.320

-0,01%

440398

0,06%

0,51

16

1,41E-03

7,28E-04

316,80

224.667

-0,30%

435450

-1,07%

0,52

18

1,59E-03

8,13E-04

356,40

224.162

-0,53%

438185

-0,44%

0,51

20

1,76E-03

8,99E-04

396,00

225.320

-0,01%

440398

0,06%

0,51

 

MW

225.346

-0,00

440.143

-0,00%

0,51

Entsprechend der Reaktionsgleichung 2 H2O (l) ---> 2 H2(g) + O2(g) werden zur Abscheidung von 2 H2(g) vier Elektronen benötigt, also für 1 H2(g)-Molekül nur 2 Elektronen. Bei der Abscheidung von 1 O2(g) werden vier Elektronen freigesetzt. Die Anzahl der abgeschiedenen Teilchen ist also abhängig von der Zahl der aufgenommenen oder abgegebenen Elektronen: Je größer die Anzahl der aufgenommenen/abgegebenen Elektronen für das betreffende Ion/Atom, desto geringer die Teilchenzahl der abgeschiedenen Stoffe.

Die Anzahl der aufgenommenen oder abgeschiedenen Elektronen ist proportional zur Ladung Q, die zur Abscheidung einer bestimmten Stoffmenge benötigt wird: Q ≈ z  mit z = Anzahl der aufgenommenen oder abgegebenen Elektronen. Für beide abgeschiedenen Stoffe war Q im Versuch bei bestimmten Spannungen und Zeitdauer gleich. Da mit z = Anzahl der aufgenommenen oder abgegebenen Elektronen jeweils eine Einheit des Teilchen verbunden ist, als X, muss es genauer heißen: Q ≈ z * n(X).

Für die Abscheidung von Wasserstoff (X=H2) ist z=2, für X=O2 ist z=4, also Q/2 für H2 und Q/4 für O2.

Setzt man für Q einen beliebigen gleichen Wert ein, wird deutlich, dass dann für Wasserstoff doppelt so viele Teilchen abgeschieden werden wir für Sauerstoff.

update: 11.11.2015                                                                                                                                                                                zurück        zur Hauptseite