Unter Zuhilfenahme des Hofmanschen Zersetzungsapparats und dem Anlegen einer Gleichspannung soll eine Dissoziation des destillierten Wassers (H2O) in die Elemente Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) hervorgerufen werden, die sogenannte Elektrolyse. Hierbei lassen sich unter anderem das elektrochemische Äquivalent A und daraus die Faraday-Konstante F bestimmen.
Zudem wird der Nutzungsgrad der Elektrolyse von Wasser anhand der Messdaten ermittelt.
Den Studierenden wird im Rahmen dieses Praktikums die Möglichkeit gegeben, ihr Vorwissen aus den Grundlagen zur Physik und Chemie mit einem anschaulichen Versuch zu ergänzen.
Inhaltsverzeichnis
Physikalische Konstanten (PK)
1 Ziel des Versuchs
2 Physikalische Grundlagen
2.1 Definition Elektrolyse
2.2 Grundlagen zur elektrischen Leitung in Flüssigkeiten
2.3 Prinzip der Wasserzerlegung
2.4 Faradaysche Gesetze
2.4.1 Erstes Faradaysches Gesetz
2.4.2 Zweites Faradaysches Gesetz
2.5 Historische Bedeutung der Faradayschen Gesetze
3 Versuchsaufbau
4 Versuchsdurchführung und Auswertung
4.1 Versuchsdurchführung
4.2 Auswertung der Messwerte
4.2.1 Berechnung der transportierten Ladung
4.2.2 Berechnung des Luftdrucks pLuft
4.2.3 Berechnung des Partialdrucks von Wasserstoff H2
4.2.4 Berechnung der Stoffmenge n und der Masse des erzeugten Wasserstoffes m
5 Elektrochemisches Äquivalent Ä und die Faraday-Konstante F
5.1 Theoretische Berechnung
5.1.1 Elektrochemisches Äquivalent A
5.1.2 Faraday-Konstante F
5.2 Berechnung anhand der Messwerte
5.2.1 Elektrochemisches Äquivalent A
5.2.2 Faraday-Konstante F
6 Energetischer Wirkungsgrad im physikalischen Praktikum
6.1 Berechnung des energetischen Wirkungsgrads
6.2 Fazit
7 Auswertung der Messunsicherheiten
7.1 Ladung QGes
7.2 Stoffmenge nH2 und die Masse mH2
7.3 Elektrochemische Äquivalent Ä und die Faraday-Konstante F
8 Anhang
8.1 Bestimmen der gesamten Ladung als Summe der Einzelladungen
8.2 Berechnung der Siedetemperatur ϑS im physikalischen Praktikum
8.3 Berechnung des Mittelwerts der elektrischen Stromstärke I
Zielsetzung und Forschungsfokus
Die vorliegende Arbeit untersucht mittels des Hofmannschen Zersetzungsapparats die Dissoziation von destilliertem Wasser durch elektrische Gleichspannung, um physikalische Parameter wie das elektrochemische Äquivalent und die Faraday-Konstante experimentell zu bestimmen und den energetischen Wirkungsgrad zu bewerten.
- Anwendung und experimentelle Überprüfung der Faradayschen Gesetze der Elektrolyse.
- Bestimmung der Faraday-Konstante und des elektrochemischen Äquivalents von Wasserstoff.
- Ermittlung des energetischen Wirkungsgrads des Versuchsaufbaus zur Wasserzerlegung.
- Analyse der Messunsicherheiten und Vergleich der Ergebnisse mit theoretischen Literaturwerten.
- Einordnung der Wasserstoffelektrolyse als regenerative Energietechnologie im Kontext zukünftiger Energiesysteme.
Auszug aus dem Buch
Prinzip der Wasserzerlegung
Die elektrische Leitung in Liquiden ist also auf einen Ladungstransport durch Ionen des Elektrolyts zurückzuführen, welche elektrolytische Leitung genannt wird. Anhand der Abbildung 1 erkennen wir den schematischen Vorgang dieses Ladungstransports in einem mit Wasser gefüllten Glasgefäß. In dieses Gefäß werden zwei Platin- bzw. Kupferbleche, sogenannte Elektroden, eingetaucht und mit einer Spannungsquelle verbunden. Zur Verbesserung der spezifischen Leitfähigkeit (siehe 2.2) wird der Lösung noch Glaubersalz (Na2SO4) hinzugefügt. Die im Kristallgitter des Salzes befindlichen Ionen bezeichnet man als „Kationen : positive Ionen (Na+), die sich zur negativen Elektrode (Kathode) bewegen,und Anionen : negative Ionen (SO42-), die zur positiven Elektrode (Anode) wandern.“
Die elektrostatische Kraft, die zwischen diesen herrscht, lässt sich nach dem allgemein bekannten Coulombschen Gesetz (Variablen siehe PK) beschreiben. Durch die hohe Permittivitätszahl des Wassers (εr = 81,6) wird diese Anziehungskraft aber faktisch aufgehoben, so dass die Ionen in Lösung gehen und dort als bewegliche Ladungsträger fungieren. Man bezeichnet diesen Prozess als Dissoziation.
Diese „elektrolytische Abscheidung“ bzw. Stromleitung lässt sich anhand nachstehender Ionenströme darstellen : Spaltung von Wasser : 2 H2O (l) → 2 H+ (g) + 2 OH- (g) (2.2), Abscheidung des Wasserstoffs an Kathode : 4H+ + 4 e- → 2H2 (2.3), Abscheidung des Sauerstoffs an Anode: 4 OH- → 2H2O + O2 + 4 e- (2.4).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Ziel des Versuchs: Diese Einleitung beschreibt die Dissoziation von Wasser zur Bestimmung des elektrochemischen Äquivalents sowie der Faraday-Konstante.
2 Physikalische Grundlagen: Hier werden die theoretischen Hintergründe der Elektrolyse, das Leitungsprinzip in Flüssigkeiten und die Faradayschen Gesetze dargelegt.
3 Versuchsaufbau: Dieses Kapitel erläutert die apparative Anordnung des Hofmannschen Wasserzersetzungsapparats samt benötigter Messinstrumente.
4 Versuchsdurchführung und Auswertung: Der experimentelle Ablauf wird geschildert, gefolgt von der Berechnung der Ladung, des Luftdrucks, des Partialdrucks und der Stoffmenge.
5 Elektrochemisches Äquivalent Ä und die Faraday-Konstante F: Vergleich zwischen theoretisch hergeleiteten Werten und den experimentell ermittelten Ergebnissen.
6 Energetischer Wirkungsgrad im physikalischen Praktikum: Berechnung der zugeführten elektrischen Energie im Verhältnis zur nutzbaren chemischen Energie und ein Fazit zur Bedeutung der Wasserstofftechnologie.
7 Auswertung der Messunsicherheiten: Detaillierte Fehlerrechnung zur Bestimmung der Genauigkeit der ermittelten Ladung, Stoffmenge sowie der Naturkonstanten.
8 Anhang: Enthält ergänzende Tabellen zu Messwerten sowie Berechnungswege für Siedetemperatur und Stromstärke-Mittelwerte.
Schlüsselwörter
Elektrolyse, Hofmannscher Apparat, Wasserzerlegung, Faraday-Konstante, elektrochemisches Äquivalent, Dissoziation, Ladungstransport, Wasserstoff, Wirkungsgrad, Messunsicherheit, elektrische Leitfähigkeit, Naturkonstanten, Brennstoffzelle, Gasvolumen, Energietechnik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung der Elektrolyse von Wasser unter Verwendung des Hofmannschen Apparats zur Bestimmung physikalischer Stoffkonstanten.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Zentral sind die theoretischen Grundlagen der Wasserzerlegung, die praktische Durchführung der Elektrolyse und die quantitative Auswertung der energetischen und stofflichen Ergebnisse.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, das elektrochemische Äquivalent und die Faraday-Konstante experimentell zu bestimmen sowie den Wirkungsgrad der verwendeten Anordnung zu berechnen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird eine experimentelle Messreihe durchgeführt, begleitet von theoretischen Berechnungen nach dem ersten und zweiten Faradayschen Gesetz sowie einer umfassenden Fehleranalyse.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst den Versuchsaufbau, die Durchführung, die Auswertung der Messwerte inklusive Druck- und Gasmengenberechnung sowie die Bestimmung der Faraday-Konstante.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich primär durch Begriffe wie Elektrolyse, Faraday-Konstante, Wasserstoff, Wirkungsgrad und Messunsicherheit beschreiben.
Warum weicht der in diesem Praktikum ermittelte Wirkungsgrad von modernen Systemen ab?
Die Abweichungen resultieren primär aus der geringen Betriebstemperatur, dem hohen Widerstand der Zelle und der verwendeten Elektrolytkonzentration im Vergleich zu industriellen Anlagen.
Welche Rolle spielt die Fehleranalyse in diesem Dokument?
Die Fehleranalyse ist essenziell, um die Abweichungen der experimentell ermittelten Werte von den theoretischen Literaturwerten zu quantifizieren und die Qualität der Messreihe zu bewerten.
- Arbeit zitieren
- Dominik Di Vincenzo (Autor:in), 2011, Elektrolyse - Hofmannscher Apparat: Ausarbeitung des Physikalischen Praktikums, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/194256
