Date post: | 06-Apr-2016 |
Category: |
Documents |
Upload: | bernhardt-amelung |
View: | 217 times |
Download: | 0 times |
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Mag. Franz Langsam
AG – Physik 16. 11. 2006
Bestimmung der Elementarladungdurch Elektrolyse von Kupfer
in einer Kupfersulfatlösung unter Verwendung der Loschmidtschen Zahl
im Schülerversuch
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Bestimmung der Elementarladung
• Vorteile• Historischer Überblick (Millikan)
• Grundlagen für das Verständnis (Atomistische Deutung der Faraday Gesetze nach Helmholz)
• Molbegriff und Loschmidtsche Zahl• Gemeinsame Durchführung des
Experiments • Hints, Geräte + Zeitaufwand
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Vorteile
• Kaum Probleme beim Verständnis
• Lehrplanbezug el. Strom, Faraday, Elektrolyse, Elementarladung, Molbegriff..
• sehr zeitökonomisch, materialschonend, billig, äußerst genau
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Historischer Überblick
• Millikan´sche Methode: Öltröpfchenversuch 1906 - 1913 (Nobelpreis 1923)
• Robert A. Millikan 1868 – 1953
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Historischer Überblick
• Apparatur
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Historischer Überblick
• Millikan/Aufwärtsbewegung:
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Historischer Überblick
• Millikan/Fallbewegung:
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Historischer Überblick
• Millikan/Formel:
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Bestimmung von e durch ElektrolyseTheorie
• Eigenschaft der bewegten Ladung : StromQ = I * t
• Annahme: jedes Ion eines einwertigen Stoffes trägt eine Elementarladung (=Ladung eines Elektrons, Protons…)
• Notwendigkeit: Bestimmung der Zahl der wandernden Teilchen bei der Elektrolyse
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
• Loschmidt hat 1865 die Zahl der Teilchen eines Mol bestimmt
1Mol = 6,022 *10²³ Teilchen
• Wird ein Mol eines Stoffes elektrolysiert, so fließen 1 Mol (das sind 6,022*10²³) Elementarladungen
Q = e * NA => e = Q / NA
Bestimmung von e durch ElektrolyseTheorie
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Das Mol
• 1Mol = 6,022 * 10²³ Teilchen• So viele Teilchen, wie in 12 g 12C• Früher : Bezug auf Wasserstoff, dann auf
Sauerstoff• Allg. : 1 Mol = rel. Atom– bzw. Molekülmasse
in Gramm
Bestimmung von e durch ElektrolyseTheorie
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Vernetzung nach Pietschmann
• 1Mol ist ca. eine Quadrillion Teilchen (1024)
• 1 Mol 18 g Wasser (= 1 Eprouvette fast voll)
• 207 g Blei oder 63,6 g Kupfer
• 22,4 l irgendeines Gases bei 0° C und normalem Druck (Luftballon d=46cm)
Bestimmung von e durch ElektrolyseTheorie
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
• 1024 Teilchen in 1m Abstand aufgereiht
Bestimmung von e durch ElektrolyseTheorie
NASA Mikrowellenhintergrund
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Aus wie vielen Teilchen besteht ein Mensch 70 kg?
65%O (43 kg) = 43000 g 43000 /16 = 2700 Mol
18%C (16 kg) = 16000 g 16000 /12 = 1300 Mol
10%H (7 kg) = 7000 g 7000/1 = 7000 Mol
=> 11000 Mol = 6,6 *1027 Teilchen
Bestimmung von e durch ElektrolyseTheorie
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
• Sonne: 1030 kg H = 1033 g1033 Mol = 6*1056 Teilchen
Bestimmung von e durch ElektrolyseTheorie
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
• Universum:
1011 Sonnen pro Galaxie1011 Galaxien pro Universum
=> 6*1078 Teilchen
Bestimmung von e durch ElektrolyseTheorie
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Praxis
• Praxisbeispiel aus den Laborübungen:Bestimmung der Elementarladung durch Elektrolyse von Kupfer in einer Kupfersulfatlösung:
Zwei Kupferelektroden sind auf 1/1000 g genau abzuwiegen und dann einer Elektrolyse zu unterziehen. Bei einer Stromstärke von 0,5 Ampere soll das Experiment 20 min andauern. Die Zeit ist auf die Sekunde genau zu messen, die Stromstärke muss kontrolliert werden. Vor dem Einschalten ist die Schaltung der Aufsicht zu zeigen.
Es ist anzugeben:• Reaktionsgleichung für Anoden- und Kathodenreaktion• der jeweilige Reaktionstyp • Massenzunahme und Massenabnahme• Anzahl der aufgelösten und abgeschiedenen Mole Cu• Berechnung der Elementarladung aus Anodenreaktion und aus
Kathodenreaktion
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
PraxisDurchführung: Reinigung der Elektroden
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
PraxisDurchführung: Abwiegen der Elektroden
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
PraxisDurchführung: Vorbereitung der Elektrolyse
Kupfersulfatlösung und Cu - Elektroden
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
PraxisDurchführung: Durchführung der Elektrolyse
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
PraxisDurchführung: Abspülen der Elektroden
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
PraxisDurchführung: Trocknen der Elektroden
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
PraxisDurchführung: Nochmaliges Abwiegen der Elektroden
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
• Eigene Messung:
Kathode Anodevorher m(Cu): 22,51 g 17,45 gnachher : 22,71 g 17,24 g ------------ ----------- 0,20 g 0,21g
• Stromfluss: I = 1,0 A• Zeit: t = 10 min 40 s
• bewegte Ladung: C = 640 A*s
Rechnung
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Berechnung der Elementarladung aus den Messwerten
• Abscheidung an der Kathode: m = 0,20 g => 0,20/63,5 = 3,159*10-3 Mol
• n = 3,159*10-3 *6,022 *1023 = 1,902*1021 Teilchen
• Ladung pro Teilchen (zweiwertig!!) : Q/n = 640 / 1,902*1021 = 3,36*10-19 C
• e = 3,36*10-19/2 = 1,68*10-19 C
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
AnhangBestimmung der Loschmidtschen Zahl
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
• Prinzip: Ein Tropfen Ölsäure breitet sich auf Wasser so aus, dass sich ein monomolekularer Film bildet.
• Näherungsweise wird angenommen, dass ein Ölsäuremolekül das Volumen d³ einnimmt.
• Bei bekanntem Volumen kann aus der Fläche des Ölfilms die Ausdehnung eines Moleküls bestimmt werden, daraus das Volumen und bei Umrechnung auf 1 Mol die Avogadro- Konstante.
AnhangBestimmung der Loschmidtschen Zahl
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Erste Bestimmung durch Josef Loschmidt 1865
= 1/3 v l
Loschmidt's method was based on the kinetic theory of gases, which had been developed with great success largely by the
efforts of his contemporaries, Maxwell and Clausius.
The movements of individual particles are governed solely by chance, and from these assumptions Maxwell was able to deduce that the viscosity of a gas is given by the relation :
Where rho is the density of the gas,v is the average velocity of the molecules,and l is the mean free path, or average distance between two impacts.
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Erste Bestimmung durch Josef Loschmidt 1865
• He was also able to show that if each molecule is a sphere of diameter , then :
l =V
2 ²
where N is Loschmidt's number, and V is the gram-molecular volume.Loschmidt assumed that if a gas were condensed, its molecules would be very closely packed so that volumes of the molecules in a gram-molecule could be regarded as approximately equal to the volume of the liquid formed on condensation. This gave the third equation for finding N.
The most reliable data give, for mercury, N > 4,4 x 1023.
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Bestimmung der Loschmidtschen Zahl durch die Brown‘sche Bewegung
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Bestimmung der Loschmidtschen Zahldurch die Radioaktivität
Boltwood and Rutherford: N = 6,6 x 1023
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
*
Bestimmung der Loschmidtschen Zahl über die Faraday‘sche Konstante
durch Millikan
Ne = F
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
2 Ti atoms1 unit cell 4,401 g Ti
1cm³
1 mol Ti
47,88g
(3.3306*10 -8)³ cm³
1 unit cellN = =
Bestimmung der Loschmidtschen Zahl durch Röntgenbeugung
= 6,02*1023 Atoms Ti/mol
Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik
Literatur
Science Progress, v 27, 1933, pp 634 – 649Loschmidts Number By S. E. VIRGO, M. Sc.Physics Department, University Sheffield