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Mag. Franz Langsam

Bestimmung der Elementarladung durch Elektrolyse von Kupfer in einer Kupfersulfatlösung unter Verwendung der Loschmidtschen Zahl im Schülerversuch. Mag. Franz Langsam. AG – Physik 16. 11. 2006. Vorteile Historischer Überblick (Millikan)

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  1. Bestimmung der Elementarladungdurch Elektrolyse von Kupfer in einer Kupfersulfatlösung unter Verwendung der Loschmidtschen Zahl im Schülerversuch Mag. Franz Langsam AG – Physik 16. 11. 2006 Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

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

  3. Kaum Probleme beim Verständnis Lehrplanbezug el. Strom, Faraday, Elektrolyse, Elementarladung, Molbegriff.. sehr zeitökonomisch, materialschonend, billig, äußerst genau Vorteile Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  4. Millikan´sche Methode: Öltröpfchenversuch 1906 - 1913 (Nobelpreis 1923) Robert A. Millikan 1868 – 1953 Historischer Überblick Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  5. Apparatur Historischer Überblick Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  6. Millikan/Aufwärtsbewegung: Historischer Überblick Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  7. Millikan/Fallbewegung: Historischer Überblick Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  8. Millikan/Formel: Historischer Überblick Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  9. Eigenschaft der bewegten Ladung : Strom Q = 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 Bestimmung von e durch ElektrolyseTheorie Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  10. 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 vonedurch ElektrolyseTheorie Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  11. 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

  12. 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

  13. 1024 Teilchen in 1m Abstand aufgereiht Bestimmung von e durch ElektrolyseTheorie NASA Mikrowellenhintergrund Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  14. 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

  15. Sonne: 1030 kg H = 1033 g 1033 Mol = 6*1056 Teilchen Bestimmung von e durch ElektrolyseTheorie Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  16. Universum: 1011 Sonnen pro Galaxie 1011 Galaxien pro Universum => 6*1078 Teilchen Bestimmung von e durch ElektrolyseTheorie Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  17. 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 Praxis Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  18. Praxis Durchführung: Reinigung der Elektroden Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  19. Praxis Durchführung: Abwiegen der Elektroden Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  20. Praxis Durchführung: Vorbereitung der Elektrolyse Kupfersulfatlösung und Cu - Elektroden Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  21. Praxis Durchführung: Durchführung der Elektrolyse Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  22. Praxis Durchführung: Abspülen der Elektroden Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  23. Praxis Durchführung: Trocknen der Elektroden Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  24. Praxis Durchführung: Nochmaliges Abwiegen der Elektroden Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  25. Eigene Messung: Kathode Anode vorher m(Cu): 22,51 g 17,45 g nachher : 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

  26. 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 Berechnung der Elementarladung aus den Messwerten Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  27. AnhangBestimmung der Loschmidtschen Zahl Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  28. 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

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

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

  31. Erste Bestimmung durch Josef Loschmidt 1865 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

  32. Erste Bestimmung durch Josef Loschmidt 1865 • He was also able to show that if each molecule is a sphere of diameter , then : 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

  33. Bestimmung der Loschmidtschen Zahl durch die Brown‘sche Bewegung Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  34. 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

  35. * Bestimmung der Loschmidtschen Zahl über die Faraday‘sche Konstante durch Millikan Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  36. Bestimmung der Loschmidtschen Zahl durch Röntgenbeugung Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

  37. Literatur Science Progress, v 27, 1933, pp 634 – 649 Loschmidts Number By S. E. VIRGO, M. Sc. Physics Department, University Sheffield Mag. Franz Langsam Bestimmung der Elementarladung 16. 11. 2006 AG - Physik

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