Bestimmung der Faraday-Konstanten

1. Geräte und Chemikalien:

U-Rohr mit seitlichen Ansätzen, 2 Kolbenprober (100 mL), Universalmessgerät, Gleichstromquelle, 2 Graphitelektroden in Gummistopfen passend für die Öffnungen des U-Rohrs, Schwefelsäure (c = 0,5 mol/L), 2 Verbindungsschläuche (5 cm), Stativmaterial, Stoppuhr

2. Versuchsdurchführung:

Das U-Rohr wird mit der Schwefelsäure gefüllt, wobei sich der Flüssigkeitsspiegel bis etwa 2 cm unter den seitlichen Ansätzen befinden soll. Die Öffnungen des U-Rohrs werden mit den Gummistopfen verschlossen, wobei darauf zu achten ist, dass die Graphitelektroden möglichst tief in die Säure eintauchen. An die seitlichen Ansätze werden mit den Verbindungsschläuchen die Kolbenprober angeschlossen, wobei die Kolben vollständig eingefahren sein müssen (Nullmarke). Die gesamte Apparatur ist mit dem Stativmaterial so zu befestigen, dass die Kolbenprober waagerecht ausgerichtet sind. Anschließend wird eine Dichtigkeitsprüfung durchgeführt, indem an einem Kolben vorsichtig gezogen wird. Dieser darf sich dabei nur unwesentlich nach außen bewegen bzw. muss nach dem Loslassen wieder auf die Nulleinstellung zurückgleiten.
Es ist auch bei der weiteren Versuchsdurchführung unbedingt darauf zu achten, dass keine Säure in die seitlichen Ansätze gelangt.
Die Graphitelektroden werden über das Messgerät mit der Gleichstromquelle verbunden. Nach richtiger Wahl des Messbereichs (erst auf den höchsten Bereich für Gleichstrommessung stellen) und kurzer Funktionsprüfung der Schaltung wird nun elektrolysiert, wobei die Stromstärke konstant im Bereich von 0,3 bis 0,5 Ampere eingestellt und gehalten werden sollte sowie die Stoppuhr zu starten ist. Bei der Elektrolyse werden die Kolben ständig vorsichtig gedreht, um ein gleichmäßiges Gleiten zu gewährleisten. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Säurespiegel in den beiden Hälften des U-Rohres immer gleich hoch steht.
Die aufgefangenen Gasvolumina und die jeweilige Zeit werden in der Tabelle (siehe unten) festgehalten.

Sicherheitshinweise: Unbedingt Schutzbrille aufsetzen!

3. Versuchsauswertung:

3.0  Fertigen Sie eine Skizze der Versuchsapparatur inklusive der elektrischen Schaltung an!

3.1  Erfassen der Messwerte:

Stromstärke  I =        A  (muss während der gesamten Messung konstant bleiben)

V₁ = Gasvolumen am Minuspol,   V₂ = Gasvolumen am Pluspol

3.2   Die Messreihe wird grafisch dargestellt (Volumen der Gase in Abhängigkeit von der Zeit). Welche Beziehungen ergeben sich daraus?

3.3  Die an den Elektroden abgelaufenen Reaktionen und die Gesamtreaktion sollen mit Reaktionsgleichungen erklärt werden.

3.4  Welche Ladung ist notwendig, um 50 mL Gas am Minuspol abzuscheiden?

3.5  Welche Ladung ist notwendig, um 1 mol Gas am Minuspol und 1 mol Gas am Pluspol abzuscheiden?

3.6  Welche Ladung ist notwendig, um 1 mol der Kationen zu entladen?

3.7  Informieren Sie sich über die Gesetze von Faraday und bringen Sie diese in Beziehung zu den Ergebnissen des durchgeführten Versuchs.

Hinweise für den Lehrer:

In Ermangelung der notwendigen Gerätschaften (hinreichende Anzahl von U-Rohren bzw. Kolbenprobern) lässt sich sich dieser Versuch anstelle eines Schülerexperimentes auch als Demonstrationsversuch mit der Wasserzersetzungsapparatur von Hofmann durchführen. Der Zeitaufwand für die Messung beträgt etwa 15 bis 20 Minuten.

Versuchsbeispiel:
Bei einer Stromstärke von 0,4 A wurden nach 1030 s am Minuspol 50 mL Gas aufgefangen.
Daraus berechnet sich eine Faraday-Konstante von F = 99038 C/mol (Aufgabe 3.6, Literaturwert F = 96490 C/mol).