Protokoll - Zersetzungsspannung PDF

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Sommersemester 2018
Physikalische Chemie Praktikumsprotokoll Zersetzungsspannung...

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Gruppe 1

Versuch: 03.07.2018

Grundpraktikum Physikalische Chemie für Ernährungswissenschaften

„Zersetzungsspannung“

Ergebnis: Experimentell ermittelt:

Theoretisch ermittelt:

Literaturwerte:   

Versuchsskript „Zersetzungsspannung“ der Universität Potsdam, Professur für Physikalische Chemie Grundpraktikum - Stand 7/2018 http://www.chemie.de/lexikon/Nernst-Gleichung.html Zugriff: 06.07.18 Bechmann, W.& Bald, I. (2018). Einstieg in die Physikalische Chemie für Naturwissenschaftler (6. Auflage), Springer- Verlag GmbH Deutschland, Berlin

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Gruppe 1

Versuch: 03.07.2018

Messprotokoll: 1 mol/L HCl 1 mol/L HCl + 0,4g KI 1 mol/L HCl + 0,8g KI U in V I in mA U in V I in mA U in V I in mA 0 0 0 0 0 0 0,10 0 0,05 0 0,05 0,16 0,20 0 0,10 0 0,10 0,27 0,30 0 0,15 0,01 0,15 0,27 0,40 0 0,20 0,01 0,20 0,26 0,50 0,02 0,25 0,02 0,25 0,27 0,55 0,04 0,30 0,03 0,30 0,27 0,60 0,06 0,35 0,07 0,35 0,27 0,65 0,07 0,40 0,12 0,40 0,32 0,70 0,07 0,45 0,20 0,45 0,36 0,75 0,08 0,50 0,30 0,50 0,46 0,80 0,12 0,55 0,39 0,55 0,55 0,85 0,19 0,60 0,48 0,60 0,78 0,90 0,27 0,65 0,67 0,65 1,25 0,95 0,36 0,70 0,96 0,70 1,67 1,00 0,44 0,75 1,03 0,75 1,06 1,05 0,51 0,80 0,69 0,80 1,15 1,10 0,56 0,85 0,65 0,85 1,16 1,15 0,58 0,90 0,61 0,90 1,21 1,20 0,66 0,95 0,66 0,95 1,21 1,25 0,68 1,00 1,20 1,00 1,35 1,30 0,71 1,05 1,30 1,05 1,32 1,35 0,72 1,10 1,12 1,10 1,46 1,40 0,73 1,15 1,10 1,15 1,45 1,45 0,94 1,20 1,06 1,20 1,40 1,50 1,40 1,25 1,06 1,25 1,31 1,55 2,09 1,30 1,02 1,30 1,30 1,60 2,87 1,35 0,92 1,35 1,32 1,65 3,66 1,40 0,99 1,40 1,58 1,70 4,30 1,45 1,20 1,45 1,95 1,75 4,55 1,50 1,68 1,50 2,59 1,80 4,40 1,55 2,17 1,55 3,16 1,60 2,70 1,60 3,59 1,65 3,04 1,65 4,05 1,70 3,10 1,70 4,25 1,75 2,90 1,75 4,01 1,80 2,90 1,80 3,40 Tabelle 1 – Messwerte der Spannung und Stromstärke von reiner Salzsäure, Salzsäure mit 0,4g Kaliumiodid und Salzsäure mit 0,8 Kaliumiodid

 verwendete Ausgangsstoffe: Salzsäure (HCl) 1,0 mol/L Festes Kaliumiodid (KI) Seite 2 von 8

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Auswertung Die Zersetzungsspannung ist die Spannung, die überschritten werden muss, damit die Elektrolyse der jeweiligen Elektrolytlösung einsetzt. Von dieser Spannung an, wächst die Stromstärke proportional mit der angelegten Spannung, wie nach dem ohmschen Gesetz zu erwarten ist. Bis zur Zersetzungsspannung allerdings, wird die angelegte Spannung durch die entgegen gerichteter Zellspannung kompensiert.

Bei dem Anlegen einer Spannung an den Elektroden werden die Protonen an der Kathode zu elementarem Wasserstoff reduziert. An der Anode werden die Chlorid-Ionen zu elementarem Chlor oxidiert. Es ergeben sich somit folgende Reaktionen: Reduktion:

[1]

Oxidation:

[2]

Sobald Kaliumiodid hinzugegeben wird, oxidiert das Iod , bevor es zu einer Oxidation der ChloridIonen kommen kann. Diese Reaktion wird wie folgt beschrieben: Oxidation:

[3]

Die gemessene Stromstärke wird gegen die Spannung aufgetragen. Daraus lässt sich mithilfe einer Regressionsgeraden für die Werte, die einen starken linearen Anstieg der Stromstärke haben, die Zersetzungsspannung der jeweiligen Elektrolytlösung ermitteln. Die Zersetzungsspannung liegt am Schnittpunkt der Regressionsgeraden mit der x-Achse. Einige Werte werden absichtlich nicht zur Regression einbezogen, da sie entweder einen noch zu geringen Anstieg besitzen und dort die Elektrolyse noch nicht beginnt oder da die Stromstärke an dieser Stelle schon anfängt zu sinken und das folglich unsere Regressionsgerade verfälschen würde.

I in mA

HCl 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

y=14,74x - 20,72 R2 =0,9988

0

0,5

1

EZ

1,5

2

U in V Abbildung 1 - Spannung U gegen Stromstärke I aufgetragen, um die Zersetzungsspannung für reine Salzsäure grafisch zu bestimmen

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Die Zersetzungsspannung ergibt sich aus der Funktionsgleichung der Regressionsgeraden für y = 0 :

Dementsprechend beträgt die Zersetzungsspannung des Salzsäure-Lösung 1,4057 V.

HCl + 0,4g KI 3,5 3

I in mA

2,5 y 2= 9,98x - 13,282 R2 = 0,9995

2 1,5 1

y 1= 5,8x - 3,1 R2 = 1

0,5 0 0

0,5

EZ

1

EZ

1,5

2

U in V Abbildung 2- Spannung U gegen Stromstärke I aufgetragen, um die Zersetzungsspannung für Salzsäure + 0,4g Kaliumiodid grafisch zu bestimmen

In Abbildung 2 wird die U-I-Kurve von Salzsäure und 0,4 g Kaliumiodid dargestellt. Im Gegensatz zur Abbildung 1, zeigt sie hier mehrere Bereiche, die einen linearen Anstieg haben. Der letzte Bereich zeigt wieder die Zersetzungsspannung der Salzsäure. Zur Bestimmung der Zersetzungsspannung des Kaliumiodids wird der erste Bereich, der eine lineare Steigung hat, untersucht. Es wurde durch beide Bereiche eine Regressionsgerade gezogen. Daraus ergaben sich die Funktionsgleichungen:

Die Zersetzungsspannung der Kaliumiodidlösung ( ) beträgt 0,5345 V und die der Salzsäure ( ) 1,3309 V.

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HCl + 0,8g KI 4,5 4

I in mA

3,5 3

y = 10,4x - 13,052 R2 = 0,9928

2,5 2 1,5

y = 8,9x - 4,5517 R2 = 0,9989

1 0,5 0 0

E

0,5 Z

EZ

1

1,5

2

U in V Abbildung 3 - Spannung U gegen Stromstärke I aufgetragen, um die Zersetzungsspannung für Salzsäure + 0,8g Kaliumiodid grafisch zu bestimmen

In Abbildung 3 sieht man eindeutige zwei Bereiche, die einen linearen Anstieg haben. Die Zersetzungsspannungen wurden analog zu denen aus Abbildung 1 und Abbildung 2 berechnet:

Die Zersetzungsspannung der Kaliumiodidlösung ( ) beträgt somit 0,5518 V und die der Salzsäure ( ) 1,255 V. Um die grafisch ermittelten Werte für die Zersetzungsspannung mit dem theoretischen Wert zu vergleichen, wird die Nernst-Gleichung benutzt: [4]

E – Elektrodenpotenzial E0 – Standardelektrodenpotenzial R – universelle Gaskonstante [ ] T – Temperatur [K]

z

– Anzahl der übertragenen Elektronen

F

– Faraday-Konstante [ ] Aktivität des Oxidationsmittels Aktivität des Reduktionsmittels

Die zwischen zwei Elektroden möglichen Spannungen können mit dem Elektrodenpotential berechnet werden: [5]

Bei der Reduktion ist das Oxidationsmittel (Ox) = 2 und das Reduktionsmittel (Red) = . Bei der Oxidation ist das Oxidationsmittel (Ox) = und das Reduktionsmittel (Red) = 2 Seite 5 von 8

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Die Aktivität der Gase und kann durch deren Partialdrücke p ersetzt werden. Zusammen mit den Oxidations- und Reduktionsmitteln und deren jeweiligen Koeffizienten und dem Einsetzen der Gleichung [4] in Gleichung [5] ergibt sich die folgender Zusammenhang: [6]

Nach dem Kürzen der Gleichung und durch die Anwendung von Logarithmusgesetzen erhalten wir die Gleichung: [7]

Die Aktivität a wird definiert durch die Gleichung: [8]

c – Stoffmengenkonzentration [ ]

f - Aktivitätskoeffizient

Durch Einsetzen der Gleichung [8] in Gleichung [7] und durch die Umrechnung des natürlichen Logarithmus zum dekadischen Logarithmus, erhalten wir die endgültige Gleichung, mit der wir die theoretische Zersetzungsspannung berechnen können: [9]

Schließlich werden die Werte aus Tabelle 2 aus dem Anhang eingesetzt. Die Partialdrücke entsprechen dem Außendruck von ca. 1 bar. Die Anzahl der übertragenen Elektronen nehmen wir aus den Redox-Gleichungen. Somit gilt: . [10]

Die Zersetzungsspannung der Salzsäure beträgt

1,3702 V.

Analog zur Gleichung [9] errechnet sich die Zersetzungsspannung von Kaliumiodid wie folgt: [11]

[12]

Die Zersetzungsspannung von Kaliumiodid beträgt

.

Fehlerberechnung: Die Zersetzungsspannung ergibt sich aus der lineare Regression über

, somit folgt für die

Fehlerrechnung [13]

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Bei einer linearen Funktion der Form y = mx + n ergeben sich die Abweichungen der Steigung m und des y-Achsenschnittpunktes n über die RGP-Funktion bei Excel, wobei folgende Matrix gebildet wird: Steigung m Fehler der Steigung m Bestimmtheitsmaß R²

Achsenabschnitt n Fehler von y Fehler des Achsenabschnittes n

Beispielrechnung für die Zersetzungsenergie

von 1mol/L HCL:

Lineare Funktion: y=14,74x - 20,72 RGP:

14,74 0,29280255 0,99881761

-20,72 0,46894136 0,04629615

Ergebnis: Diese Fehlerberechnung wird analog auf die weiteren Zersetzungsspannungen angewendet.

Diskussion Die experimentell ermittelten Werte und die theoretisch errechneten Werte liegen nah bei einander. Für diese Abweichungen gibt es mögliche Fehlerquellen. Zu der größten Fehlerquelle gehört das Ablesen der Stromstärke. Während des Versuchs gab es starke Schwankungen der Stromstärke von teilweise ± 0,3 mA, worauf hin nur der ungefähre Mittelwert als Messwert notiert wurde. Durch das manuelle Einstellen der Spannung konnte nicht auf die vorgegeben Werte genau. Es hab Schwankungen von ± 0,1V. Außerdem war das Wiegen des Kaliumiodids nicht genau, da es grobkörnig war. Es war kaum möglich, auf ± 0,01 g genau abzuwiegen. Zusätzlich hatten unsere Messgeräte Messunsicherheiten, die die letzte Stelle des Wertes betreffen. Dazu zu zählen ist die Messunsicherheit der Waage, des Voltmeters, des Amperemeters Die Zersetzungsspannung ist nach Gleichung [4] temperatur- und luftdruckabhängig. Wir sind in unserem Versuch einerseits von Standardbedingungen ( p = 1bar, T = 298K) ausgegangen und außerdem haben wir eine konstante Temperatur sowie einen konstanten Druck erwartet. Wäre die Temperatur größer, so würde auch die Zersetzungsspannung größer werden, da die Temperatur im Zähler der Gleichung steht. Wäre der Druck größer, würde auch die Zersetzungsspannung größer werden. Allerdings wird durch das anschließende Logarithmieren von p der Fehler kleiner gehalten, als vergleichsweise zur Temperatur. Einige Werte wurden mit Absicht nicht zur Regressionsgeraden hinzugezählt weil entweder der Anstieg noch zu gering war oder der Grenzstrom schon eingetreten war. Dies wurde nach eigenem Ermessen gemacht.

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Anhang

Standardelektrodenpotenzial HCl Standardelektrodenpotenzial KI universelle Gaskonstante R = 8,314 Temperatur Faraday-Konstante

T = 298K F = 96485,34

Aktivitätskoeffizient

f = 0,82

Tabelle 2- Literaturwerte zum Errechnen der theoretischen Zersetzungsspannungen

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