Kupfercoulometer

Datei:Voltametro a rame.png

Kupfercoulometer mit drei rechteckigen Kupferplatten in einem rechteckigen Glasgefäß. Die beiden äußeren Kupferplatten sind elektrisch miteinander verbunden, die innere Platte ist die Kathode, d. h. mit dem Minuspol verbunden.

Das Kupfercoulometer ist – wie alle Coulometer – ein historisches Gerät, mit dessen Hilfe elektrische Ladungen und konstante Stromstärken im Gleichstromkreis bestimmt wurden. Es wurde in der Zeit ab etwa 1880 bis nach der Mitte des 20. Jahrhunderts<ref name="Kortüm" /> häufig benutzt. Insbesondere wurden Kupfercoulometer für größere Stromstärken benutzt, für die die genaueren Silbercoulometer geeigneter Größe sehr teuer gewesen wären. Wie alle Coulometer hat das Kupfercoulometer heute kaum mehr eine praktische Bedeutung, es wird nur noch für Schulungen verwendet.<ref>Uni Saarbrücken: Versuchsanleitung Leitfähigkeit von Elektrolyten (Memento vom 4. März 2016 im Internet Archive) (PDF; 501 kB)</ref><ref>Uni Basel: Modul Elektrizitätslehre II, Faraday-Konstante (PDF; 106 kB), abgerufen am 1. August 2016.</ref>

Funktion

Das Kupfercoulometer enthält mindestens zwei Kupferbleche oder -platten als Elektroden, welche sich in einer leicht sauren Kupfer(II)-sulfat-Lösung befinden. Durch den Stromfluss durch die in Reihe geschaltete Zelle wird Kupfer an der positiven Kupferelektrode (Anode) aufgelöst, und an der Kupfer-Kathode kommt es zur Abscheidung von Kupfer aus der Lösung. Aus der mit einer Waage ermittelten Massenänderung der getrockneten Kupferelektroden kann die Gesamtmenge an übertragener elektrischer Ladung berechnet werden. Bei konstanter Stromstärke wird diese aus der bekannten Elektrolysedauer berechnet.

Der Elektrolyt bestand zumeist aus 150 g Kupfersulfat, 50 g Schwefelsäure, 50 g Ethanol und 1000 g Wasser.<ref name="Datta" />

Historisches

Das Kupfercoulometer, im 19. Jahrhundert Kupfervoltameter genannt, war in Deutschland spätestens 1883<ref name="Hammerl" /> bekannt, in England spätestens 1886.<ref name="Gray" /> Die oben angegebene Elektrolytzusammensetzung wurde 1893 in einer Veröffentlichung von Felix Oettel empfohlen;<ref name="Datta" /><ref>Felix Oettel: Chemiker-Zeitung. Band 17, 1893, S. 543, 577. </ref> der Elektrolyt aus Kupfersulfat CuSO₄, Schwefelsäure H₂SO₄, Ethanol C₂H₅OH und Wasser H₂O wird daher auch Oettelsche Lösung genannt.<ref>Konrad Norden: Oettelsche Lösung. In: Viktor Engelhardt (Hrsg.): Elektrolytische Zähler (= Monographien über angewandte Elektrochemie. Band 31). Knapp, Halle a. S. 1908, OCLC 248771234, S. 37 (delibra.bg.polsl.pl [PDF]). </ref>

Varianten

Als Kathode, auf der das Kupfer abgeschieden wurde, wurde für genauere Messungen auch Platinblech benutzt.<ref name="Auerbach" />

Insbesondere bei großen Strömen ist es vorteilhaft, ein Kathodenblech aus Edelstahl zu verwenden, da dieses das Gewicht des abgeschiedenen Kupfers besser tragen kann, und da es möglich ist, das abgeschiedene Kupfer vom Stahl abzuziehen und zusammengefaltet zu wiegen.<ref name="Schlain,Kenahan" />

Reaktionsgleichungen

Anode (Pluspol, Oxidation)

<math>\mathrm{Cu \longrightarrow Cu^{2+} + 2 \ e^- \qquad bzw. \qquad Cu_{(s,Anode)} + SO_4^{2-} \longrightarrow CuSO_{4 (aq)} + 2 \ e^-}</math>

Kathode (Minuspol, Reduktion)

<math>\mathrm{Cu^{2+} + 2 \ e^- \longrightarrow Cu \qquad bzw. \qquad CuSO_{4 (aq)} + 2 \ e^- \longrightarrow Cu_{(s,Kathode)} + SO_4^{2-}}</math>

Gesamtvorgang

<math>\mathrm{Cu_{Anode} \longrightarrow Cu_{Kathode}}</math>

Die Gesamtkonzentration der Lösung und die Gesamtmasse an Kupfer ändern sich nicht.

Ladungsberechnung

Nach den Faradayschen Gesetzen ist die übertragene elektrische Ladung Q der Massenänderung proportional:

<math>Q = \frac{ \Delta\ m \cdot z \cdot F}{M} = \frac{ \Delta\ m}{\ddot A_e}</math>

mit

Δm: Masseänderung der Kupfer-Kathode, ermittelt mit einer möglichst genauen Waage

z: Anzahl übertragener Elektronen pro Teilchen; für Cu/Cu²⁺ ist z = 2.

F: Faraday-Konstante (≈ 96.485,3 As/mol)

M: molare Masse; für Kupfer: M = 63,546 g/mol

Ä_e: Elektrochemisches Äquivalent, Ä_e = M/(z·F); für Kupfer: Ä_e = 0,3293 mg/As.

Einzelnachweise

<references> <ref name="Auerbach"> Felix Auerbach: Strommessung. In: Adolph August Winkelmann (Hrsg.): Handbuch der Physik. 2. Auflage. Band 4. J. Barth, Leipzig 1905, S. 310 (Internet Archive).  </ref> <ref name="Datta"> A. K. Datta, N. Dhar: Accuracy of copper voltameters. In: Journal of the American Chemical Society. Band 38, Nr. 6, 1916, S. 1156–1160, doi:10.1021/ja02263a002.  </ref> <ref name="Gray"> Thomas Gray: On the Electrolysis of Silver and of Copper, and the Application of Electrolysis to the Standardizing of Electric Current- and Potential-meters. In: The London, Edinburgh and Dublin philosophical magazine and journal of science. Band 22, Nr. 138, 1886, S. 389–414 (Internet Archive).  </ref> <ref name="Hammerl"> Hermann Hammerl: Studie über das Kupfervoltameter. In: Elektrotechnischer Verein Berlin (Hrsg.): Elektrotechnische Zeitschrift,. Band 4, Nr. 12. Julius Springer, Berlin 1883 (Internet Archive).  </ref> <ref name="Kortüm"> Gustav Kortüm: Lehrbuch der Elektrochemie. Verlag Chemie, Weinheim 1952.  </ref> <ref name="Schlain,Kenahan"> David Schlain, Charles B. Kenahan: A copper coulometer for use with large currents. In: Journal of Chemical Education. Band 35, Nr. 3, 1958, S. 144, doi:10.1021/ed035p144.  </ref> </references>