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Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik Mag. Franz Langsam AG – Physik 16. 11. 2006 Bestimmung der Elementarladung durch.

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1 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Mag. Franz Langsam AG – Physik Bestimmung der Elementarladung durch Elektrolyse von Kupfer in einer Kupfersulfatlösung unter Verwendung der Loschmidtschen Zahl im Schülerversuch

2 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 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

3 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Vorteile Kaum Probleme beim Verständnis Lehrplanbezug el. Strom, Faraday, Elektrolyse, Elementarladung, Molbegriff.. sehr zeitökonomisch, materialschonend, billig, äußerst genau

4 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Historischer Überblick Millikan´sche Methode: Öltröpfchenversuch (Nobelpreis 1923) Robert A. Millikan 1868 – 1953

5 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Historischer Überblick Apparatur

6 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Historischer Überblick Millikan/Aufwärtsbewegung:

7 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Historischer Überblick Millikan/Fallbewegung:

8 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Historischer Überblick Millikan/Formel:

9 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Bestimmung von e durch Elektrolyse Theorie 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

10 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 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 * N A => e = Q / N A Bestimmung von e durch Elektrolyse Theorie

11 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Das Mol 1Mol = 6,022 * 10²³ Teilchen So viele Teilchen, wie in 12 g 12 C Früher : Bezug auf Wasserstoff, dann auf Sauerstoff Allg. : 1 Mol = rel. Atom– bzw. Molekülmasse in Gramm Bestimmung von e durch Elektrolyse Theorie

12 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Vernetzung nach Pietschmann 1Mol ist ca. eine Quadrillion Teilchen (10 24 ) 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 Elektrolyse Theorie

13 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Teilchen in 1m Abstand aufgereiht Bestimmung von e durch Elektrolyse Theorie NASA Mikrowellenhintergrund

14 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Aus wie vielen Teilchen besteht ein Mensch 70 kg? 65%O (43 kg) = g /16 = 2700 Mol 18%C (16 kg) = g /12 = 1300 Mol 10%H (7 kg) = 7000 g 7000/1 = 7000 Mol => Mol = 6,6 *10 27 Teilchen Bestimmung von e durch Elektrolyse Theorie

15 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Sonne: kg H = g Mol = 6*10 56 Teilchen Bestimmung von e durch Elektrolyse Theorie

16 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Universum: Sonnen pro Galaxie Galaxien pro Universum => 6*10 78 Teilchen Bestimmung von e durch Elektrolyse Theorie

17 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 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

18 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Praxis Durchführung: Reinigung der Elektroden

19 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Praxis Durchführung: Abwiegen der Elektroden

20 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Praxis Durchführung: Vorbereitung der Elektrolyse Kupfersulfatlösung und Cu - Elektroden

21 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Praxis Durchführung: Durchführung der Elektrolyse

22 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Praxis Durchführung: Abspülen der Elektroden

23 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Praxis Durchführung: Trocknen der Elektroden

24 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Praxis Durchführung: Nochmaliges Abwiegen der Elektroden

25 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung AG - Physik Eigene Messung: Kathode Anode vorher m(Cu): 22,51 g 17,45 g nachher : 22,71 g 17,24 g ,20 g 0,21g Stromfluss: I = 1,0 A Zeit: t = 10 min 40 s bewegte Ladung: C = 640 A*s Rechnung

26 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 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 *10 23 = 1,902*10 21 Teilchen Ladung pro Teilchen (zweiwertig!!) : Q/n = 640 / 1,902*10 21 = 3,36* C e = 3,36* /2 = 1,68* C


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