Chemie · Klasse 12–13 · aktualisiert
Faraday-Gesetze: Elektrolyse berechnen
Mit Stromstärke, Zeit und Elektronenzahl berechnest du die theoretische Stoffmenge oder Masse einer Elektrolyse.
0 von 8 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Die Faraday-Gesetze verbinden die geflossene Ladung mit dem Stoffumsatz: Bei konstantem Strom gilt Q=I\cdot t, für den theoretischen Umsatz Q=n\cdot z\cdot F. Ein Silberion braucht zum Beispiel ein Elektron, um als Silber abgeschieden zu werden.
Die Faraday-Gesetze verbinden bei einer Elektrolyse die geflossene elektrische Ladung mit der umgesetzten Stoffmenge. Aus Stromstärke und Zeit kannst du deshalb berechnen, wie viel Stoff theoretisch an einer Elektrode entsteht: Q=I\cdot t und Q=n\cdot z\cdot F.
Deine Lernziele
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3 Abschnitte
Bei einer Elektrolyse transportiert der elektrische Strom Ladung. Je mehr Ladung insgesamt durch den Elektrolyten fließt, desto mehr Teilchen können an den Elektroden Elektronen aufnehmen oder abgeben. Das erste Faradaysche Gesetz sagt: Die abgeschiedene Stoffmenge ist proportional zur geflossenen Ladung. Doppelte Ladung führt unter gleichen Bedingungen zur doppelten Stoffmenge.
Definition
Elektrische Ladung
Die Ladung Q gibt an, wie viel elektrische Ladung insgesamt geflossen ist. Bei konstanter Stromstärke gilt Q=I\cdot t. Eine Ampere-Sekunde ist ein Coulomb: 1\,\mathrm{A\,s}=1\,\mathrm C.
Merke: Stromstärke und Ladung sind nicht dasselbe: I beschreibt Ladung pro Zeit, Q die während der gesamten Zeit geflossene Ladung.
Teste dich
Die Faraday-Konstante ist der Ladungsbetrag eines Mols Elektronen:
F=96\,485\,\mathrm{C/mol}
Dies ist ein gerundeter Schulwert. Bei einer ausgeglichenen Elektrodenreaktion gibt z die Zahl der Elektronen pro umgesetztem Teilchen an. Das zweite Faradaysche Gesetz vergleicht Stoffumsätze bei gleicher Ladung: Je mehr Elektronen ein Teilchen benötigt, desto weniger Mol davon entstehen. Mit der Stoffmenge n in Mol gilt:
Q=n\cdot z\cdot F
Bei konstantem Strom gilt außerdem Q=I\cdot t. Daraus folgen die Rechenformen:
n=\frac{Q}{zF}
n=\frac{I\cdot t}{zF}
Mit der molaren Masse M gilt m=nM. Damit kannst du Masse, Ladung oder Zeit berechnen:
m=\frac{M\cdot I\cdot t}{zF}
Q=\frac{m\cdot zF}{M}
t=\frac{m\cdot zF}{M\cdot I}
Bestimme z aus der ausgeglichenen Elektrodenreaktion des umgesetzten Stoffes. Die vorgestellte Rechnung setzt voraus, dass die Ladung für diese Reaktion genutzt wird.
Beispiel: Wie liest du die Elektronenzahl bei Silber und Kupfer ab?
- 1Ein Silberion nimmt ein Elektron auf:
- 2\ce{Ag+ + e- -> Ag}
- 3Daher ist z=1. Ein Kupfer(II)-Ion nimmt zwei Elektronen auf:
- 4\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}
- 5Daher ist z=2. Bei gleicher Ladung wird deshalb nur halb so viel Stoffmenge Kupfer wie Silber abgeschieden.
Merke: Setze nicht automatisch die Ladungszahl irgendeines Teilchens ein. Entscheidend ist die Zahl der Elektronen in der ausgeglichenen Reaktion des tatsächlich umgesetzten Stoffes.
Teste dich
Übung: Silber wird 15\,\mathrm{min} lang bei 2{,}0\,\mathrm A abgeschieden. Verwende z=1, F=96\,485\,\mathrm{C/mol} und M(\ce{Ag})=107{,}9\,\mathrm{g/mol}. Welche Masse entsteht theoretisch? Die Formeln beschreiben den theoretischen Stoffumsatz. Sie enthalten weder Wirkungsgrad noch Nebenreaktionen. Reale Abweichungen kannst du nur mit zusätzlichen Angaben berechnen.
Beispiel
- 1Eine Eisengabel wird 10\,\mathrm{min} lang bei 5{,}0\,\mathrm A versilbert. Für Silber gilt z=1 und M(\ce{Ag})=107{,}9\,\mathrm{g/mol}.
- 2Zuerst wird die Zeit umgerechnet:
- 310\,\mathrm{min}=600\,\mathrm s
- 4Die geflossene Ladung beträgt:
- 5Q=5{,}0\,\mathrm A\cdot600\,\mathrm s
- 6Q=3\,000\,\mathrm C
- 7Nun folgt die Stoffmenge:
- 8n=\frac{3\,000\,\mathrm C}{1\cdot96\,485\,\mathrm{C/mol}}
- 9n\approx0{,}0311\,\mathrm{mol}
- 10Für die Masse rechne mit der ungerundeten Stoffmenge weiter:
- 11m\approx0{,}031093\,\mathrm{mol}\cdot107{,}9\,\mathrm{g/mol}
- 12m\approx3{,}35\,\mathrm g
- 13Unter den idealisierten Bedingungen werden theoretisch etwa 3{,}35\,\mathrm g Silber abgeschieden.
Beispiel: Gehe immer in derselben Reihenfolge vor
- 1Notiere die gesuchte Größe und alle Angaben mit Einheiten.
- 2Wandle die Zeit in Sekunden um, wenn du mit Ampere und Coulomb rechnest.
- 3Bestimme z aus der Elektrodenreaktion.
- 4Wähle die passende Form des Faraday-Gesetzes.
- 5Setze Werte mit Einheiten ein und prüfe das Ergebnis im Kontext.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Faraday-Gesetze
Ladung
Q=I\cdot t
Stoffumsatz
Q=n\cdot z\cdot F
Masse
m=M\cdot I\cdot t/(zF)
Elektronenzahl
aus der Elektrodenreaktion
Geltung
theoretischer Stoffumsatz
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Theoretische Silbermasse bei der Versilberung
- 1Eine Eisengabel wird 10\,\mathrm{min} bei 5{,}0\,\mathrm A versilbert. Gegeben sind z=1, F=96\,485\,\mathrm{C/mol} und M(\ce{Ag})=107{,}9\,\mathrm{g/mol}. Gesucht ist die theoretische Masse.
- 2Die Zeit beträgt t=600\,\mathrm s.
- 3Q=5{,}0\,\mathrm A\cdot600\,\mathrm s=3\,000\,\mathrm C
- 4n=\frac{3\,000\,\mathrm C}{1\cdot96\,485\,\mathrm{C/mol}}
- 5n\approx0{,}0311\,\mathrm{mol}
- 6Für die Masse rechne mit der ungerundeten Stoffmenge weiter.
- 7m\approx0{,}031093\,\mathrm{mol}\cdot107{,}9\,\mathrm{g/mol}
- 8m\approx3{,}35\,\mathrm g
- 9Der Wert gilt idealisiert ohne Nebenreaktionen und ohne Verlust beim Beschichten.
Fehler finden
Ladung für die Abscheidung von Nickel bestimmen In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die Elektronenzahl wird multipliziert: Q=nzF. Mit n=0{,}50\,\mathrm{mol}, z=2 und F=96\,485\,\mathrm{C/mol} ergibt sich Q=96\,485\,\mathrm C. Die Division durch z ist der Fehler.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Bei konstanter Stromstärke gilt Q= . Die Faraday-Gleichung lautet Q= . Für die Masse wird zusätzlich die benötigt.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback