HMTC GmbH

15.08.2008

Gliederung:

Ziel und Zweck

Vorwissen

Experiment

Skizze

Geräte

Sonstige Hilfsmittel

Chemikalien

Aufbau, Sicherheit und Entsorgung

Durchführung und Beobachtung

Auswertung

Ergebnis

Folgerung

Literatur

zu den didaktischen Anmerkungen

zur Lernkartei

Ziel und Zweck:

Untersuchung des Stromdurchgangs bei Leitern 2. Art in wässriger Lösung, um die Vorgänge der Elektrolyse zu erkennnen.

Vorwissen:

Elektrischer Stromkreis , Messung des elektrischen Widerstandes , elektrische Leitfähigkeit (Lernkartei dazu )

Qualitativer Unterschied bei der elektrische Leitfähigkeit :

Es gibt Unterschiede beim Transport der elektrischen Ladung durch einen Stoff. Es gibt Stoffe, die leiten den elektrischen Strom, ohne dabei stoffliche Veränderungen zu zeigen. Dazu gehören alle Metalle und Kohlenstoff in Form von Graphit. Man nennt diese Leiter Leiter 1. Art.

Es gibt weiter Stoffe, die nur als wässrige Lösungen oder als Flüssigkeiten (Schmelzen) den Strom leiten. Beim Stromdurchgang entsehen neue Stoffe. Dazu zählen die geschmolzenen Basen und Salze, die in Wasser gelösten Salze, Säuren und Basen (Laugen genannt). (Anmerkung: Reines Wasser und die reinen flüssigen Säuren leiten praktisch nicht). Stoffe, die sich beim Stromdurchgang zersetzen, nennt man Leiter 2. Art.

Weiter gibt es Stoffe, die den Strom unter Normalbedingungen nicht leiten. Dazu zählen allse Gase, Wasser, reine Säuren, praktisch alle organischen Stoffe wie Zucker, Harnstoff, die Kunststoffe, Fette. Diese Stoffen nennt man Nichtleiter.
(Anmerkung: Es gibt auch organische Salze und Basen, die dann zu den Leitern 2. Art gehören).

Es gibt noch den Begriff des Isolators. Isolatoren sind Stoffe, die in der Technik eingesetzt werden, weil sie unter den Einsatzbedingungen nicht leiten. Dazu zählt zum Beispiel Glas oder Porzellan, die beide in festen Zustand außerordentlich schlecht leiten. Insbesondere Porzellan und Keramik werden als Isolatoren bei Hochspannungsleitungen eingesetzt.

Experiment:

Bild 1: Gleichstrom-Elektrolyse eine Kupfersulfat-Wasser-Lösung mit zwei Kupfer-Elektroden

Geräte:

U-Rohr, 2 Schraubkappen mit Dichtung, 2 Verschlusskappen
Regelbare Gleichspannungsquelle mit Ein/Ausschalter, Amperemeter, Voltmeter, Kabel; Halter für Elektroden (gegebenenfalls 2 Krokodilklemmen)

Sonstiges:

Stativ; Muffe; Klammer;

feines Schmirgelpapier

Chemikalien

gesättigte Kupfersulfat-Lösung in Wasser; w>25% gesundheitsschädlich (Xn) ; umweltgefährdend (N) ; WGK 2; Seit 2005 ersatzweise: MAK 0,1 einatembar, Kupfer-Bleche als Elektroden

Aufbau, Sicherheitsmaßnahmen und Entsorgung:

Persönliche Schutzmaßnahmen: Beim Umgang mit Gefahrstoffen ist immer eine Schutzbrille zu tragen. Es ist vorteilhaft, einen Schutzkittel zu tragen.
Wärend des chemischen Experimentes läuft ein dünner Wasserstrahl, damit man sich nach einem versentlichen Kotakt mit Chemikalien sofort die Hände waschen kann.

Der Aufbau und die Schaltung geschieht nach Skizze. Anschließend gibt man eine kalt gesättigte Lösung von blauem Kupfersulfat (CuSO₄*5 H₂O) in Wasser dazu, bis die Elektroden bedeckt sind.

Entsorgung:

Die Kupfersulfatlösung wird in das Vorratsgefäß zurückgegeben. Die Kupfer-Elektroden werden abgespült, getrocknet und sind wieder zu verwenden.

Auswertung:

1. Durch die Einwirkung mit elektrischer Energie wird das Gleichgewicht im Elektrolyten gestört.
2. Kein Stoff mit seiner Masse kann spurlos verschwinden. Das metallische rote, wasserunlösliche Kupfer geht als blaues Kupfer in veränderter Form in Lösung. Dabei steigt die Dichte an, die Konzentrationsschlieren sinken.
3. Am Minuspol geschieht das umgekehrte: Das blaue Kupfer in wasserlöslicher Form wird vermutlich wieder als rotes Kupfer an der Kupferelektrode abgeschieden. Entspechend umgekehrt zur Auflösung verringert sich nun die Dichte der Salzlösung und die nun helleren Schlieren steigen auf.

Ergebnis:

Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an einen Leiter 2. Art fließt ein elektrischer Strom.

Dabei wird das elektrisch neutrale metallische Kupfer zu elektrisch geladen Teilchen, den sogenannten Ionen (griech. Wanderer ). Somit "betritt" die elektrische Ladung den Elektrolyten am Pluspol und verlässt ihn wieder am Minuspol. Der Pluspol bekommt den Namen Anode (griech. Weg nach oben), der Minuspol den Namen Katode (griech. Ausgang).

Anmerkung: die Bedeutung des Namens passt nicht zur Richtung der Konzentrationsschlieren! Ein Grund könnte sein, dass der Eingang in den Hades , die Unterwelt der toten Seelen gemeint ist.)

Diese Kupferionen müssen positive Ladung tragen, denn nur so können sie sich vom Pluspol entfernen und vom Minuspol angezogen werden.
Da sie von der Katode (Minuspol) angezogen werden, erhalten sie den Namen Kationen. wie alle Pilger werden sie nach dem Zielort benannt (Rom-Pilger, Lourdes-Pilger )

Folgerung:

Bei der Elektrolyse findet eine Stoffveränderung statt, bei der elektrisch geladen Teilchen bewegt werden.

Ausblick:

Es ist zu prüfen, ob an der Katode wirklich Kupfer entsteht. (Auf der Kupfer-Elektrode, die aus dem gleichen Material besteht, ist das nicht zweifelsfrei zu erkennen. (nächster Versuch zur Klärung einer Beobachtung )

Wird an der Anode genau so viel Kupfer aufgelöst, wie an der Katode abgeschieden wird? (Planung eines Experiments)

Wenn bei der Auflösung positiv geladenen Kationen entstehen, müsste man beim Berühren der Lösung eingentlich einen elektrischen Schlag bekommen. Wieso bekommt man nach der Beendigung der Elektrolyse keinen elektrischen Schlag? (Erstellen einer Arbeitshypothese durch Denken)

Literatur:

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