Quantitative Formulierung des Faradayschen Gesetzes der Elekt. PDF

1.2 Stromleitung in Flüssigkeiten Literaturhinweis: Teile von Kapitel 4.3 Albach M. Elektrotechnik, 2te Auflage & https://de.wikipedia.org/wiki/Faradaysche_Gesetze 29  Stromleitung in Metallen und Flüssigkeiten Metalle bzw. el....

1.2 Stromleitung in Flüssigkeiten Literaturhinweis: Teile von Kapitel 4.3 Albach M. Elektrotechnik, 2te Auflage & https://de.wikipedia.org/wiki/Faradaysche_Gesetze 29  Stromleitung in Metallen und Flüssigkeiten Metalle bzw. el. Leiter : Elektronen sind auf der äußersten Atomschale ungebunden – „relativ freie“ Bewegung Ungerichtete Bewegung der Elektronen im Metall Gerichtete Bewegung aufgrund einer äußeren elektrischen Spannung Flüssigkeiten : Elektrische Ladungsträger sind Ionen (Atome, denen wenige Elektronen fehlen bzw. einen Überschuss haben) 30  Ladungsträgerbewegung in Flüssigkeiten Elektrolyt: bezeichnet eine Flüssigkeit mit darin gelösten Ionen Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle Wertigkeit z eines Ions entspricht der Anzahl seiner am Ladungstransport beteiligten Elementarladungen (oft: z = 1 ; 2.. ) [ Beachten Sie den Unterschied zwischen Ordnungszahl Z und der Wertigkeit z ] Bei einer von aussen angelegten Spannung wandern positiv (+) geladene Ionen (Ka+ionen) zur Katode, negativ geladenen Ionen (Anionen) wandern zur Anode + Kathode Anode Na+ Cl- 31  Galvanisieren, Metallgewinnung und Wasserstoffelektrolyse Galvanisieren: elektrochemisches Abscheiden von Metallen auf metallische oder metallisierte Oberflächen unter Verwendung eines Elektrolyten und Gleichstroms sowie Gleichspannung (wenige Volt) Schmelzflußelektrolyse: elektrochemisches Verfahren zur Gewinnung von Lithium, Natrium, Aluminium unter Beteiligung von Salzen Quelle: J. Dohmann, Experimentelle Einführung in die Elektrochemie Wasserelektrolyse: Zersetzung von Wasser (H2O) in Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 mit Hilfe elektrischen Stromes (siehe Rechenübung) Kationen (+) Anionen (-) Quelle: Wasserelektrolyse, Wikipedia 32  Faradaysche Gesetze der Elektrolyse Faraday‘sche Gesetze der Elektrolyse (1834) beschreiben quantitativ den Zusammenhang zwischen abgeschiedener/gewonnener Masse eines Stoffes, der dafür verwendeten Stromstärke und Abscheidedauer/Elektrolysezeit (Quelle:Wikipedia) 1te Faraday‘sche Gesetz der Elektrolyse: „Die Stoffmenge, die an einer Elektrode während der Elektrolyse abgeschieden wird, ist proportional zur elektrischen Ladung, die durch den Elektrolyten geschickt wird (n ~ Q).“ 2tes Faraday‘sche Gesetz der Elektrolyse: „Die durch eine bestimmte Ladungsmenge abgeschiedene Masse eines Elements ist proportional zur Atommasse des abgeschiedenen Elements und umgekehrt proportional zu seiner Wertigkeit“ Zusammenfassung der beiden Gesetze in einer Aussage Die abgeschiedene Masse m eines Stoffes ist proportional zum Produkt aus Gleichstromstärke und Elektrolysezeit. 33  Stoffmenge, Molare Masse und die Frage nach der Teilchenzahl Wie finden wir heraus wieviel Atome („Einzelteilchen“) in 1 kg eines Stoffs, z.B. Gold sind ? 1. Wieviel Atome sind in 12 g Kohlenstoff enthalten ? 𝑁 = 6,022 ⋅ 1023 2. Wieviel Elementarteilchen sind in 1 Mol eines Stoffes enthalten ? 𝑁 = 6,022 ⋅ 1023 −1 Avogadro Konstante: Teilchenzahl in 1 Mol eines Stoffes 𝑁 = 6,022 ⋅ 1023 𝑚𝑜𝑙 3. Wieviel wiegt 1 Mol Gold ? (s. Periodensystem) 𝑀 = 197 𝑔/𝑚𝑜𝑙 𝑚 4. Wieviel Teilchen sind in m = 1 kg Gold ? 𝑁= ⋅𝑁 𝑀 ⋅ −1 𝑁= ⋅ 6,022 ⋅ 1023 𝑚𝑜𝑙 = 30,56 ⋅ 1023 34  Quantitative Formulierung des Faradayschen Gesetzes der Elektrolyse WELCHE MASSE EINES STOFFES WIRD BEI EINER GEGEBENEN GLEICHSTROMSTÄRKE IN EINER GEGEBENEN ZEIT GEWONNEN ? Transportierte Ladung: 𝑄 = 𝑁 ⋅ 𝑧 ⋅ e 𝑁: 𝑇𝑒𝑖𝑙𝑐ℎ𝑒𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙; 𝑧: 𝑊𝑒𝑟𝑡𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡; 𝑒: 𝐸𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑟𝑙𝑎𝑑𝑢𝑛𝑔 Für Gleichstrom gilt: 𝑄 =𝐼⋅𝑡 𝐼 ∶ 𝑆𝑡𝑟𝑜𝑚𝑠𝑡ä𝑟𝑘𝑒; 𝑡: 𝐸𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑙𝑦𝑠𝑒𝑧𝑒𝑖𝑡 Für Teilchenzahl gilt: 𝑁 = ⋅𝑁 𝑚: 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒 ; 𝑀: 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟𝑒 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒 ; 𝑁 : 𝐴𝑣𝑜𝑔𝑎𝑑𝑟𝑜 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 ⋅ ⋅ Zwischenschritt 𝑚 = = ⋅ ⋅ Elektrochemisch „gewonnene“ 𝑀 𝑚= ⋅𝐼⋅𝑡 Masse: 𝑧⋅𝑒⋅𝑁 „diese Gleichung fasst die beiden Faradaygesetze in einer Beziehung zusammen“ (@Wikipedia) 35 Zusammenhänge zwischen Masse, Stoffmenge, Volumen und Teilchenanzahl @ Wikipedia 36