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Physikalische Chemie IV - Prof. Dr. Helmut Cölfen/Dr. Julian Brunner – WS 2020/2021

Übungsblatt 12 (Besprechung am 10.02.2021) Aufgabe 1 a) Worin unterscheiden sich ein starker und ein schwacher Elektrolyt? b) Berechnen Sie die Säurekonstante einer 0,01 M wässrigen Lösung von Essigsäure aus der molaren Leitfähigkeit. Bei 298 K beträgt die molare Leitfähigkeit Λm = 1,65 mS m2 mol-1 und die molare Grenzleitfähigkeit Λm0 = 39,05 mS m2 mol-1. Nehmen Sie an, dass die Abweichungen der Aktivitätskoeffizienten vernachlässigbar sind.

Aufgabe 2 In einer Verdünnungsreihe wässriger Natriumiodid wurden die Widerstände gemessen. Die Zellkonstante sei zu cz = R*κ = 0,2063 cm−1 gegeben. Man findet folgende Ergebnisse:

a) Berechnen Sie für jeden Konzentrationswert die molare Leitfähigkeit Λ 𝑚 . Die molare Leitfähigkeit folgt dem Kohlrausch-Gesetz. Geben Sie dieses an. Wie würden Sie graphisch die molare Grenzleitfähigkeit und den Koeffizienten K bestimmen? (Nur mit Worten beschreiben, nicht durchführen.) b) Nun betrachten wir eine 0,01 M, wässrige NaI-Lösung bei 25°C. Gehen Sie davon aus, dass Sie den dort genannten Koeffizienten zu K = 7,3 mS m2 mol−1M−0,5 bestimmt haben. Die molaren Leitfähigkeiten von Natrium und Iodid betragen Λ m(Na+) = 5,01 mS m2 mol−1 und Λ m(I−) = 7,68 mS m2 mol−1. Bestimmen Sie folgende Größen: • • •

Die molare Leitfähigkeit Λ m. Die spezifische Leitfähigkeit 𝜅. Den Widerstand R.

Aufgabe 3 Aus einer Kupfer-(II)-chlorid-Lösung werden an der Kathode 6,3 g Kupfer elektrolytisch abgeschieden. Die Elektroden sind im Abstand von 5 cm voneinander angebracht. a) Wie lange muss elektrolysiert werden, wenn die Stromstärke 0,1 A beträgt? Welches Volumen Chlor wird gleichzeitig an der Anode unter Normalbedingungen abgeschieden? b) Wie hoch ist die Driftgeschwindigkeit der Kupfer- und Chlorid-Ionen in der Lösung, wenn die angelegte Spannung 1,2 V beträgt? (λ(Cu2+) = 53,6 cm2 Ω-1 mol−1; λ(Cl-) = 76,4 cm2 Ω-1 mol−1) c) Berechnen Sie aus den angegebenen Werten der molaren Leitfähigkeit den effektiven Radius der Ionen. Warum gilt allgemein, dass kleinere Ionen sich langsamer bewegen Übungsblatt 12- Seite 1 von 2

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als größere? Würden Sie für Cu+ oder für Ca2+ eine höhere Beweglichkeit erwarten (beide Ionenradien sind sehr ähnlich)? Aufgabe 3 Insgesamt werden für die Chloralkali-Elektrolyse nach dem Membranverfahren in Deutschland ca. 3 Milliarden Kilowattstunden an Strom pro Jahr verbraucht. Berechnen Sie, welchem Chlorvolumen unter Normbedingungen (0 °C, Normdruck) dies entspricht, wenn man von einer Wirkungsgrad von 70% ausgeht und als Zellspannung U = 3,5 V angenommen werden.

Aufgabe 4 Natrium wird großtechnisch durch Schmelzflusselektrolyse von Natriumchlorid in einer sogenannten DOWNS-Zelle (siehe Abbildung) hergestellt. Durch Zugabe von Calciumchlorid wird die Schmelztemperatur von Natriumchlorid gesenkt. An einer Eisenelektrode scheidet sich flüssiges Natrium ab, welches eine geringere Dichte als die Schmelze aufweist und den Kathodenraum nach oben verlässt. An eine Graphitelektrode bildet sich Chlorgas, welches durch eine Glocke abgeleitet wird. Die Eisenkathode ist durch feine Metallgitter von der übrigen Zelle getrennt.

a) Zur Senkung der Schmelztemperatur wäre Magnesiumchlorid wirkungsvoller als Calciumchlorid. Weshalb darf es bei der Schmelzflusselektrolyse von Na nicht benutzt werden? Begründen Sie unter Angabe der entsprechenden Werte/Größen! b) In der der Technik wird die Schmelzflusselektrolyse von NaCl bei einer Spannung von U = 7,5 V durchgeführt. Berechnen Sie den Wert der theoretische Zersetzungsspannung UZ. Haben Sie eine Idee, weshalb in der Praxis eine höhere Spannung verwendet wird?

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