Das Ziel dieses Praktikumsberichts im Rahmen des Praktikums Physikalische Chemie I ist es, die thermodynamischen Reaktionsgrößen wie freie Reaktionsenthalpie, Reaktionsenthalpie und Reaktionsentropie durch Messung der Zellspannungen verschiedener elektrochemischer Zellen bei unterschiedlichen Temperaturen zu ermitteln.
Im Fokus stehen dabei das Daniell-Element, das Leclanché-Element (Zink-Kohle-Element) und ein Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (NiMH). Die Messergebnisse sollen mit theoretischen Werten verglichen und mögliche Abweichungen sowie Fehlerquellen diskutiert werden.
In diesem Bericht wird zunächst die Aufgabenstellung vorgestellt, bei der die Gleichgewichtszellspannungen der genannten galvanischen Elemente bei vier verschiedenen Temperaturen (20, 30, 40 und 50°C) gemessen wurden. Anschließend werden die theoretischen Grundlagen der beteiligten elektrochemischen Stromquellen detailliert beschrieben, einschließlich der ablaufenden Redoxreaktionen und der Funktionsweise der Zellen.
Gliederung
1. Aufgabenstellung
2. Theoretische Grundlagen - Beschreibung der elektrochemischen Stromquellen
3. Beschreibung der Versuchsdurchführung
4. Messwerte
5. Auswertung der Messergebnisse, Fehlerrechnung und Diskussion
6. Diskussion möglicher Fehler
7. Zusammenfassung der Versuchsergebnisse
8. Literatur
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung von thermodynamischen Reaktionsgrößen (Freie Reaktionsenthalpie, Reaktionsenthalpie und Reaktionsentropie) ausgewählter galvanischer Elemente bei verschiedenen Temperaturen unter Anwendung der GIBBS-HELMHOLTZ-Beziehung.
- Untersuchung von Daniell-Element, Leclanché-Element und NiMH-Akkumulator
- Experimentelle Messung der Zellspannungen in Abhängigkeit von der Temperatur
- Anwendung der linearen Regression zur Ermittlung thermodynamischer Kennwerte
- Diskussion der Spontanität von Redoxreaktionen und Entropieveränderungen
Auszug aus dem Buch
2.2 DANIELL-Element
Beim DANIELL-Element handelt es sich um eine historische Zelle aus zwei Halbzellen (Zn/ZnSO4 und Cu/CuSO4), die durch eine poröse Schicht voneinander getrennt sind.
Ein Zinkstab (Halbelement 1) taucht in eine ZnSO4-Lösung und ein Kupferstab (Halbelement 2) in eine CuSO4-Lösung.
Die Redoxpaare des DANIELL-Elements sind Zn/Zn2+ und Cu/Cu2+. Zink gibt leichter Elektronen ab als Kupfer (geringeres Standardpotential), daher fließen die Elektronen durch die Verbindung vom Zink- zum Kupferstab. Zink wird zu Zinkionen (Zn2+) oxidiert (Elektronenabgabe) und geht dabei in Lösung. Die Kupferionen (Cu2+) werden zu Kupfer (Elektronenaufnahme), dabei scheidet sich metallisches Kupfer ab. Durch die Oxidation von Zink entsteht im Halbelement 1 eine überschüssige positive Ladung und durch die Reduktion von Kupfer eine negative Ladung im Halbelement 2. Es erfolgt ein Ladungsausgleich durch die Wanderung der negativen Sulfationen vom Halbelement 2 durch das Diaphragma zum Halbelement 1. Bei dieser Redoxreaktion lässt sich unter Standardbedingungen (T=25°C, a=1 (bei nicht idealen Lösungen) bzw. c = 1 mol/l) eine Spannung von 1,1V messen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Aufgabenstellung: In diesem Kapitel wird das Ziel definiert, die thermodynamischen Größen verschiedener galvanischer Elemente durch Temperaturvariationen zu bestimmen.
2. Theoretische Grundlagen - Beschreibung der elektrochemischen Stromquellen: Hier werden die Funktionsweisen und Redoxreaktionen von Daniell-Element, Leclanché-Element und NiMH-Akkumulatoren erläutert.
3. Beschreibung der Versuchsdurchführung: Es wird die apparative Anordnung mittels Thermostat und Digitalvoltmeter beschrieben, um die Zellspannungen bei vier verschiedenen Temperaturen zu erfassen.
4. Messwerte: Dieser Abschnitt enthält die tabellarische Zusammenstellung der gemessenen Spannungen sowie eine grafische Darstellung mittels linearer Regression.
5. Auswertung der Messergebnisse, Fehlerrechnung und Diskussion: Hier erfolgt die Berechnung der thermodynamischen Zustandsgrößen anhand der gewonnenen Daten und der Vergleich mit Literaturwerten.
6. Diskussion möglicher Fehler: Betrachtung der Messunsicherheiten von Temperatur und Spannung als Einflussfaktoren auf das Ergebnis.
7. Zusammenfassung der Versuchsergebnisse: Abschließende Analyse der Temperaturabhängigkeit der Zellspannungen und Interpretation der Affinität der untersuchten Reaktionen.
8. Literatur: Verzeichnis der verwendeten Quellen und Lehrwerke.
Schlüsselwörter
Elektrochemie, Daniell-Element, Leclanché-Element, NiMH-Akkumulator, GIBBS-HELMHOLTZ-Beziehung, Zellspannung, Redoxreaktion, Freie Reaktionsenthalpie, Reaktionsentropie, Standardbedingungen, Thermodynamik, Faraday-Konstante, Lineare Regression.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung galvanischer Elemente und der Ermittlung ihrer thermodynamischen Kennzahlen durch Temperaturmessungen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die Elektrochemie, die Thermodynamik von Batterien und Akkumulatoren sowie die Anwendung physikalisch-chemischer Berechnungsmodelle auf Messreihen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, die thermodynamischen Größen wie Freie Reaktionsenthalpie, Enthalpie und Entropie aus der Temperaturabhängigkeit der Zellspannung zu berechnen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine experimentelle Messreihe bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt und diese mittels linearer Regression statistisch ausgewertet.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretischen Grundlagen der galvanischen Zellen, die Durchführung der Messungen, die mathematische Auswertung mittels GIBBS-HELMHOLTZ-Formeln und die Diskussion der Ergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Zellspannung, Thermodynamik, Redoxpotenziale, Reaktionsentropie und galvanische Elemente.
Warum weicht die Spannung des Leclanché-Elements von der Theorie ab?
Die Abweichung wird vor allem auf die Bildung schwerlöslicher Zinkkomplexe und komplexe Vorgänge innerhalb des Elektrolyten zurückgeführt.
Wie korrelieren Temperatur und Spannung bei den untersuchten Elementen?
Die Arbeit zeigt durch die lineare Regression eine deutliche Abhängigkeit der Zellspannung von der Temperatur, die je nach Element unterschiedlich ausfällt.
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- Anonym (Author), 2020, Ermittlung thermodynamischer Reaktionsgrößen aus Zellspannungen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1483760
