Überspannung

Elek­tro­ly­siert man wäss­ri­ge Zink­bro­mid­lö­sung, so ver­wen­det man dazu in der Regel Graphitelektroden:

Dabei wer­den anodisch Brom (Plus­pol) und katho­disch Zink (Minus­pol) gebil­det. Das ist jedoch kei­nes­wegs selbst­ver­ständ­lich, da an bei­den Polen zwei ver­schie­de­ne Reak­tio­nen mit­ein­an­der konkurrieren.

Katho­de (Minus­pol)

(1)  Zn2+ + 2e- → Zn; UH0=-0,76V

(2) 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-; UH0=-0,41V

Anode (Plus­pol)

(3) 2Br- → Br2 + 2e- ; UH0=1,07V

(4) 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- ; UH0=0,82V

Die Zer­set­zungs­span­nung von Was­ser beträgt danach ledig­lich 1,23V, die von Zink­bro­mid 1,83V. Es wäre also zu erwar­ten, dass Was­ser­stoff und Sau­er­stoff gebil­det wer­den. Tat­säch­lich erhält man bei Ein­satz von pla­ti­nier­ten Pla­tin­elek­tro­den zumin­dest anstel­le des Zinks Was­ser­stoff bei die­sem Versuch.

Bei vie­len Gasen stellt man fest, dass deren elek­tro­ly­ti­sche Gewin­nung durch ver­schie­de­ne Fak­to­ren gehemmt ist und daher ein höhe­res als das theo­re­ti­sche berech­ne­te Zer­set­zungs­po­ten­ti­al zu deren Gewin­nung benö­tigt wird. Die Abwei­chung zwi­schen der theo­re­ti­schen Zer­set­zungs­span­nung und dem tat­säch­li­chen Wert bezeich­net man als Über­span­nung U*. Die Über­span­nung ist abhängig:

  1. vom Elek­tro­den­ma­te­ri­al
  2. von der Art des Gases
  3. von der Strom­dich­te

Dank der Über­span­nung des Was­ser­stoffs an Gra­phit beträgt das Poten­ti­al der Halb­zel­le aus Glei­chung (2) nicht 0,41V, son­dern 0,41V + U*. In der Regel ist die­ses Poten­ti­al an der Gra­phit­elek­tro­de nega­ti­ver als  das des Zinks, weil bei Metal­len in der Regel kei­ne Über­span­nungs­ef­fek­te auftreten.

Auch Sau­er­stoff besitzt an Gra­phit eine so gro­ße Über­span­nung, dass er unter nor­ma­len Umstän­den nicht gebil­det wird – auch nicht mit pla­ti­nier­ten Pla­tin­elek­tro­den. Bei der Elek­tro­ly­se von Zink­bro­mid­lö­sung mit Pla­tin­elek­tro­den erhält man also Was­ser­stoff und Brom. Gleich­zei­tig soll­te Zink­hy­dr­o­xid aus­fal­len, da sich die Zin­kio­nen mit den katho­disch gebil­de­ten Hydr­o­xi­d­io­nen verbinden.

Die Über­span­nung des Was­ser­stoffs an Gra­phit macht die­se Elek­tro­ly­se also über­haupt erst möglich.

Elek­tro­ly­siert man Natri­um­sul­fat­lö­sung, lau­fen dage­gen tat­säch­lich die Pro­zes­se (2) und (4) ab, da die Zer­set­zungs­span­nung von Natri­um­sul­fat mit 4,7V sehr hoch ist. Färbt man die Lösung mit Uni­ver­sal­in­di­ka­tor ein und elek­tro­ly­siert mit Pla­tin­elek­tro­den, ergibt sich nach einer Wei­le fol­gen­des Bild:

Fazit:

Der Stoff mit der gerin­ge­ren Zer­set­zungs­span­nung berei­nigt um den Über­span­nungs­an­teil wird bei Elek­tro­ly­sen zuerst gebildet.

Zersetzungsspannung

Alle Ele­men­te stre­ben den ener­gie­ärms­ten Zustand, d.h. eine mög­lichst sta­bi­le Elek­tro­nen­kon­fi­gu­ra­ti­on an. In der Regel ist die­ser erreicht, wenn in der äußers­ten Kugel­scha­le acht Elek­tro­nen vor­han­den sind. Für die Reak­tio­nen von Zink und Brom ergibt sich fol­gen­de Reaktionsgleichung:

Zn + Br2 → ZnBr2

Auf­ge­schlüs­selt nach Teil­glei­chun­gen für die Oxi­da­ti­on und Reduk­ti­on sieht man, dass dabei Elek­tro­nen vom Zink zum Brom fließen:

(1) Zn → Zn2+ + 2e- (Oxi­da­ti­on)

(2) Br2 + 2e- → 2Br- (Reduk­ti­on)

Die­se Rich­tung des Elek­tro­nen­flus­ses ist qua­si die natür­li­che: Auf die­se Wei­se errei­chen bei­de Ele­men­te unter Ener­gie­ab­ga­be den ener­gie­ärms­ten Zustand. Wenn die Elek­tro­nen in die ande­re Rich­tung flie­ßen sol­len, bedarf es der Zufuhr von Ener­gie, z.B. von elek­tri­schem Strom, den eine „Elek­tro­nen­pum­pe“ wie z.B. eine Bat­te­rie lie­fern kann. Der Pro­zess lässt sich etwa in einer Elek­tro­ly­se­zel­le umkeh­ren, die eine wäss­ri­ge Lösung von Zink­bro­mid ent­hält. Als Elek­tro­den­ma­te­ri­al dient Gra­phit – die Wahl die­ses Mate­ri­als ist nicht belie­big. Eine sol­che Zel­le könn­te fol­gen­der­ma­ßen auf­ge­baut sein:


Die nega­tiv gela­de­nen Bro­mi­d­io­nen wer­den vom Plus­pol (Anode) der Elek­tro­ly­se­zel­le ange­zo­gen und dort unter Abga­be eines Elek­trons ent­la­den. Der Pro­zess (2) läuft „rück­wärts“. Ana­log wer­den die Zin­kio­nen von dem Minus­pol (Katho­de) ange­zo­gen und dort unter Auf­nah­me von Elek­tro­nen ent­la­den. Der Pro­zess (1) läuft „rück­wärts“. Bei­de Pro­zes­se müs­sen durch eine exter­ne Span­nungs­quel­le erzwun­gen wer­den, sodass Elek­tro­nen an der Katho­de ein­tre­ten und an der Anode aus­tre­ten kön­nen (grü­ne Pfeile).

Wei­ter­le­sen

Es gibt nichts außer Meinungen

Wenn ich aktu­el­le Dis­kus­sio­nen rund um Bil­dung lese, wird mir mitt­ler­wei­le spei­übel – so wie­der hier:

http://www.zeit.de/zeit-wissen/2010/03/Das-perfekt-Schulsystem

Ich fin­de den Arti­kel weder gut noch schlecht, eini­ges gefällt mir, eini­ges nicht. Allein: Die­se Dis­kus­si­on (Kom­men­ta­re) fin­det genau auf dem Niveau schon seit Jah­ren statt. Die Ste­reo­ty­pen, die bedient wer­den, sind auch seit Jah­ren die glei­chen. Am schärfs­ten fin­de ich die Leu­te, die wie­der mal für Reförm­chen A oder Ideo­lo­gie­an­satz B wer­ben und sich gegen­sei­tig Unwis­sen­schaft­lich­keit und Igno­ranz vor­wer­fen. Es dreht sich für mich im Kreis – seit Jahren.

Reden ist Sil­ber, Schwei­gen ist Gold. Machen, ein­fach mal machen. Vor Ort – und dann erzäh­len. Von jedem ver­öf­fent­lich­ten Schü­ler­auf­satz ler­ne ich mehr über eine Bil­dung, die für mich eine kon­kre­te prak­ti­sche Rele­vanz hat – völ­lig unwis­sen­schaft­lich, fern ab von bewie­se­nen und unbe­wie­se­nen Theo­rien. Und wenn irgend­wer mich in nächs­ter Zeit dabei erwischt, wie ich mich an die­sem Gere­de ein­mal mehr betei­li­ge ohne mich zu poli­ti­sie­ren, der schrei­be mir bit­te eine bit­ter­bö­se Mail.

Auf Wiedersehen, Frau Heister-Neumann!

Es ist nun schon eini­ge Tage her, seit­dem Chris­ti­an Wulff sein Kabi­nett umge­bil­det hat. Schlag­zei­len mach­te eine neue Sozi­al­mi­nis­te­rin mit ihrer Anre­gung, reli­giö­se Sym­bo­le aus den Schu­len zu ver­ban­nen, kei­ne oder weni­ge Schlag­zei­len mach­te der Weg­gang von Frau Heis­ter-Neu­mann aus dem Kultusministerium.

Ich habe in der Begrün­dung für die­se Ent­schei­dung oft den Duk­tus der „Herausnahme einer ange­schla­ge­nen, tap­fe­ren Spie­le­rin aus dem Feld“ ver­nom­men. Mei­ner Mei­nung nach stimmt das.

Frau Heis­ter-Neu­mann war aus ver­schie­de­nen Grün­den hier in Nie­der­sach­sen nicht sehr beliebt, im Kon­text mit der Ver­la­ge­rung des Stun­den­kon­tos (LAz­Ko) direkt vor die Pen­si­on kam es zum ers­ten Mal zu Pro­tes­ten von Leh­re­rin­nen und Leh­rern vor dem Land­tag – eigent­lich ein Wider­spruch in sich: Leh­rer soli­da­risch(!) auf der Straße.

Aber auch sonst hat­te Frau Heis­ter-Neu­mann für die mit der Macht­über­nah­me der schwarz-gel­ben Koali­ti­on ein­ge­führ­ten, umfas­sen­den Schul­re­for­men (Abschaf­fung der Ori­en­tie­rungs­stu­fe, zen­tra­le Abitur­prü­fun­gen, Pro­fil­ober­stu­fe, G8, selbst­stän­di­ge Schu­len usw.) gera­de­zu­ste­hen. Neid und Ver­ant­wor­tung sind mit Macht immer sehr stark ver­bun­den – das muss man in der Poli­tik aus­hal­ten. Und es ist ein Zei­chen der Stär­ke, die damit ein­her­ge­hen­de, teils hef­ti­ge Kri­tik auch zu ertragen.

Die meis­ten Refor­men wur­den unter dem ers­ten Kul­tus­mi­nis­ter der schwarz-gel­ben Koali­ti­on, Bernd Buse­mann ein­ge­führt. Die­ser über­nahm nach eini­ger Zeit im Amt das Jus­tiz­mi­nis­te­ri­um von Frau Heis­ter-Neu­mann, die ihrer­seits Kul­tus­mi­nis­te­rin wur­de (Tausch). Ob dabei Sach­zwän­ge eine Rol­le spiel­ten, oder die sich regen­den Her­aus­for­de­run­gen an den Schu­len und der damit ver­bun­de­ne Druck auf den Minis­ter, ist rei­ne Spekulation.

Jedoch sah sich Frau Heis­ter-Neu­mann in mei­nen Augen nun mit Wir­kun­gen von Refor­men kon­fron­tiert, die sie im Kern nicht zu ver­ant­wor­ten hat­te. Frau Heis­ter-Neu­mann ging mei­ner Mei­nung nach sach­lo­gisch vor: Das Gelin­gen von G8 und dabei gera­de der Dop­pel­jahr­gang waren mas­siv von der Ver­sor­gung mit Lehr­kräf­ten abhän­gig. Und just in die­sem Zeit­raum soll­te das Arbeits­zeit­kon­to in die Rück­zah­lungs­pha­se kom­men. Von einem ver­wal­tungs­tech­ni­schen Stand­punkt aus ist es abso­lut logisch, durch eine Ver­la­ge­rung der Rück­zah­lungs­pha­se des Arbeits­zeit­kon­tos das Gelin­gen der Reform per­so­nell sicherzustellen.

Die ent­schei­den­de Fra­ge mit Blick auf die Leh­rer­ver­sor­gung in der Zukunft war für mich bereits damals, war­um die Aus­zah­lung „am Stück“ direkt vor der Pen­sio­nie­rung damit ein­her­ge­hen soll­te und nicht direkt ein Modell ange­strebt wur­de, wie wir es jetzt in Nie­der­sach­sen (erstrit­ten) haben: Die Aus­zah­lungs­pha­se wird auf die Zeit nach dem Dop­pel­jahr­gang ver­scho­ben und es gibt Anrei­ze für KuK, die bereits in die Aus­gleichs­pha­se gekom­men wären, den Ein­tritt in sel­bi­ge zu ver­schie­ben mit teil­wei­se sehr fle­xi­blen Rege­lun­gen. Hat Frau Heis­ter-Neu­mann wirk­lich nicht gewusst, dass sie genau an die­sem Punkt mas­si­ven Wider­stand evo­zie­ren wür­de? Oder lagen dem Kul­tus­mi­nis­te­ri­um Zah­len vor, die die­ses doch recht rabia­te Vor­ge­hen sach­lo­gisch recht­fer­ti­gen können?

Es ist ja viel zuge­sagt wor­den: Z.B. die Sen­kung der Klas­sen­fre­quen­zen (per­so­nal­in­ten­siv) durch Ver­bleib der durch die „Überwindung des Doppeljahrgangs“ neu geschaf­fe­nen Stel­len an den Gym­na­si­en, deren Schü­ler­zahl wahr­schein­lich wei­ter leicht stei­gen wird. Dem ent­ge­gen steht die Aus­gleichs­pha­se des LAz­Ko, die ab dem 1.8.2012 begin­nen wird.

Neh­men wir ein­mal an, dass von 60 KuK an einer Schu­le 20 davon pro­fi­tie­ren, fal­len an die­ser Schu­le ein­mal eben 20x4=80 Stun­den (mehr als drei vol­le Stel­len) weg – die Kol­le­gen unter­rich­ten ja die zwei LAz­Ko-Stun­den nicht mehr und bekom­men zusätz­lich pro Jahr zwei ange­spar­te LAz­Ko-Stun­den ver­gü­tet. Wei­ter­hin geht das Gerücht, dass in den nächs­ten sechs Jah­ren der eine oder ande­re Kol­le­ge bzw. die eine oder ande­re Kol­le­gin in Pen­si­on gehen wird. Ob die ange­dach­te Ver­kür­zung des Vor­be­rei­tungs­diens­tes auf 1,5 Jah­re und der Aus­bau der Stu­di­en­se­mi­na­re die­se Effek­te kom­pen­sie­ren kön­nen, wäre auf Basis von kon­kre­tem Zah­len­ma­te­ri­al zu über­prü­fen. Außer­dem soll es ja in Nie­der­sach­sen auch leich­ter wer­den, als Quer­ein­stei­ger – gera­de in Man­gel­fä­chern – den Beam­ten­sta­tus zu erlangen.

Die ent­schei­den­de Fra­ge ist, ob die­se Maß­nah­men aus­rei­chend sind oder ob der ein­zi­ge Aus­weg doch in einer Erhö­hung des Stun­den­de­pu­ta­tes bestehen wird. Dafür bie­tet sich die Aus­gleichs­pha­se ja nahe­zu an, weil die KuK durch auch noch einer Depu­tats­er­hö­hung um zwei Stun­den unter dem Strich noch zwei Stun­den weni­ger als vor­her unter­rich­ten… Außer­dem hat Nie­der­sach­sen ohne­hin bun­des­weit eines der kleins­ten Stun­den­de­pu­ta­te (wenn man Sei­ten­ef­fek­te wie Stel­len­schlüs­sel und Klas­sen­fre­quen­zen nicht berück­sich­tigt). Die Lob­by von Leh­rern in der Öffent­lich­keit ist – u.U. auch selbst mit­ver­schul­det – klein… Zwei Stun­den – was ist das denn schon? 30–33 SuS mehr. Fällt bei den bis 180 – je nach Fächer­kom­bi­na­ti­on – , die man mit vol­ler Stel­le zu betreu­en hat, auch kaum auf.

Soll­te Herr Alt­hus­mann, unser neu­er Kul­tus­mi­nis­ter, die­se Ent­schei­dung aus Sach­zwän­gen her­aus tref­fen müs­sen und dadurch unter Druck gera­ten, so hof­fe ich wenigs­tens, dass er die­se Schlacht dann sel­ber schla­gen kann und nicht ein ande­res Minis­te­ri­um sei­ner Hil­fe bedarf.

Schö­ner wäre es natür­lich, wenn das Kul­tus­mi­nis­te­ri­um die vor­lie­gen­den Zah­len trans­pa­rent ver­öf­fent­li­chen wür­de… Dann könn­te man gemein­sam über etwas Kon­kre­tes reden, bila­te­ral, kol­le­gi­al und auf Augen­hö­he. Und da Leh­re­rin­nen und Leh­rer in der Sum­me kei­ne Unmen­schen sind, ergä­be sich viel­leicht sogar ein nach­hal­ti­ges Kon­zept für die Zukunft und zurück­ge­won­ne­nes Ver­trau­en – es geht um eines der wert­volls­ten Güter, die wir besitzen.

Molekülbau und Siedepunkt

Eine typi­sche Auf­ga­be im Anfangs­un­ter­richt in orga­ni­scher Che­mie (für die mich jeder Mole­ku­lar­che­mi­ker auf­grund der immensen didak­ti­schen Reduk­ti­on kil­len wür­de) könn­te fol­gen­der­ma­ßen aussehen:

Ihnen lie­gen fünf orga­ni­sche Ver­bin­dun­gen vor, deren Sie­de­punkt jeweils über dem Mole­kül ange­ge­ben ist. Begrün­den Sie nach­voll­zieh­bar anhand der Mole­kül­ei­gen­schaf­ten, war­um die Sie­de­punk­te vom Methan bis zum Was­ser in die­ser Rei­he ansteigen! 

Methan
Sie­de­punkt: ‑162°C


Tetraf­lu­or­ethan
Sie­de­punkt: ‑128°C


2‑Methylbutan
Sie­de­punkt: 28°C


n‑Pentan
Sie­de­punkt: 36°C


Was­ser
Sie­de­punkt: 100°C


Mus­ter­ant­wort:

Ent­schei­dend für den Sie­de­punkt sind im Wesent­li­chen zwei Fak­to­ren: Die Mole­kül­mas­se und inter­mo­le­ku­la­re Wech­sel­wir­kun­gen. Bei den Wech­sel­wir­kun­gen ist fer­ner zu unter­schei­den zwi­schen Van-der-Waals-Kräf­ten, elek­tro­sta­ti­schen Wech­sel­wir­kun­gen auf­grund von pola­ren Atom­bin­dun­gen im Mole­kül und Was­ser­stoff­brü­cken­bin­dun­gen. Dabei gel­ten fol­gen­den Gesetzmäßigkeiten:

  1. Je grö­ßer die Mole­kül­mas­se, des­to mehr kine­ti­sche Ener­gie ist erfor­der­lich, um ein Mole­kül aus dem Flüs­sig­keits­ver­band in die Gas­pha­se zu über­füh­ren und des­to höher wird der Sie­de­punkt der Ver­bin­dung liegen.
  2. Je grö­ßer die inter­mo­le­ku­la­ren Wech­sel­wir­kun­gen, des­to schwie­ri­ger ist es, die Mole­kü­le von­ein­an­der zu tren­nen. Die­se Tren­nung ist jedoch erfor­der­lich für den Über­gang in die Gas­pha­se. Daher sind bei gro­ßen inter­mo­le­ku­la­ren Wech­sel­wir­kun­gen höhe­re Tem­pe­ra­tu­ren zur deren Über­win­dung erforderlich.
  3. Die Van-der-Waals-Kraft ist die schwächs­te inter­mo­le­ku­la­re Kraft. Sie ist direkt abhän­gig von der Kon­takt­flä­che, mit der sich zwei Mole­kü­le berüh­ren kön­nen. Die Van-der-Waals-Kraft steigt mit der Län­ge der Ket­te und sinkt mit einem wach­sen­den Ver­zwei­gungs­grad des Moleküls.
  4. Elek­tro­sta­ti­sche Wech­sel­wir­kun­gen (pola­re Anzie­hungs­kräf­te) kön­nen nur bei Mole­kü­len wir­ken, die über eine oder meh­re­re pola­re Atom­bin­dun­gen ver­fü­gen. Dabei bil­den sich Par­ti­al­la­dun­gen aus. Ent­ge­gen­ge­rich­te­te Par­ti­al­la­dun­gen bedin­gen eine elek­tro­sta­ti­sche Anzie­hungs­kraft. Die Kraft der elek­tro­sta­ti­schen Anzie­hungs­kräf­te über­wiegt gera­de bei klei­nen Mole­kü­len mit wenig Kon­takt­flä­che in ihrer Stär­ke oft die Van-der-Waals-Kraft, weil sie eben dau­er­haft (= sta­tisch) auf­tre­ten und nicht wie die Van-der-Waals-Kräf­te tem­po­rär indu­ziert und damit von sta­tis­ti­schen Gege­ben­hei­ten abhän­gig sind. Bei gro­ßen Mole­kü­le kann der Betrag der Van-Der-Waals-Kraft jedoch beträcht­li­che Grö­ßen­ord­nun­gen aufweisen.
  5. Was­ser­stoff­brü­cken­bin­dun­gen sind sehr star­ke inter­mo­le­ku­la­re Wech­sel­wir­kun­gen und in ihrer Stär­ke den Van-der-Waals- und elek­tro­sta­ti­schen Kräf­ten über­ge­ord­net Für ihre Aus­bil­dung muss Was­ser­stoff polar gebun­den und min­des­tens ein frei­es Elek­tro­nen­paar vor­han­den sein.

Die zu bespre­chen­den Mole­kü­le besit­zen fol­gen­de Molekülmassen:

Methan: 16u

Tetraf­lu­or­me­than: 88u

2‑Methylbutan: 72u

n‑Pentan: 72u

Was­ser: 18u

1.) Methan:

Methan besitzt die kleins­te Mole­kül­mas­se bei einer sehr gerin­gen Ket­ten­län­ge, sodass inter­mo­le­ku­la­re Bin­dungs­kräf­te nur äußerst schwach wir­ken. Daher hat Methan den gerings­ten Siedepunkt.

2.) Tetraf­lu­or­me­than

Tetraf­lu­or­me­than hat eine höhe­re Mole­kül­mas­se als Methan oder n‑Pentan und 2‑Methylbutan und müss­te daher den zweit­höchs­ten Sie­de­punkt besit­zen. Offen­bar über­wie­gen bei den bei­den letzt­ge­nann­ten Ver­bin­dun­gen offen­bar die Van-der-Waals-Kräf­te die bei Tetraf­lu­or­me­than auf­tre­ten­den elek­tro­sta­ti­schen Anzie­hungs­kräf­te auf­grund der pola­ren Atom­bin­dung zwi­schen dem Koh­len­stoff- und dem Flu­or­atom. Dies ist durch die grö­ße­re Ket­ten­län­ge begründ­bar. Daher sie­det Tetraf­lu­or­me­than vor 2‑Methylbutan und n‑Pentan.

3.) 2‑Methylbutan & n‑Pentan

Bei­de Mole­kü­le besit­zen zwar die glei­che Mole­kül­mas­se, jedoch kann die Van-der-Waals-Kraft beim n‑Pentan durch die weni­ger ver­zweig­te Ket­te stär­ke­ren Ein­fluss gewin­nen. Daher sie­det n‑Pentan etwas spä­ter als 2‑Methylbutan.

4.) Was­ser

Was­ser besitzt mit 18u die zweit­nied­rigs­te Mole­kül­mas­se, kann aber pro Mole­kül vier sehr star­ke Was­ser­stoff­brü­cken­bin­dun­gen aus­bil­den. Daher über­wiegt hier der Ein­fluss der inter­mo­le­ku­la­ren Bin­dungs­kräf­te den Ein­fluss der Mole­kül­mas­se erheb­lich, sodass Was­ser den höchs­ten Sie­de­punkt aufweist.

Hin­weis:

Noch schwie­ri­ger wird es, wenn man kei­ne Sie­de­punk­te angibt. Dann müs­sen die SuS auf Basis ihres Wis­sens näm­lich eine in sich geschlos­se­ne Argu­men­ta­ti­on ent­wi­ckeln, die sprach­lich um eini­ges schwie­ri­ger umzu­set­zen ist…

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