eule
Hier seit: 18.11.2009
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Wohnort: Bargebuhr
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So Leute, so zu meinem Abschluß in diesem Thread und damit ich mir selbst nicht vorwerfen muß, ich hätte nun so gar nichts Sinnvolles zum Thema beigetragen hier noch ein kleines, aber wie ich finde zumindest für die Anfänger evtl interessantes Experiment: Ich mache die elektrischen Ströme im Elektrolytbad sichtbar und kann nebenbei gleich auch noch beweisen, daß es wirklich elektrische Ladungsträger sind, die sich da bewegen.
Wie ich das anstellen will? Nunja, es ist etwas improvisiert und sieht auf den ersten Blick wirklich unscheinbar aus, aber eine Petrischale (~10 cm), zwei Labornetzteile, Kabel mit Krokoklemmen, etwas Kupferlackdraht, ein Schnibbel Tesafilm, eine starke Lampe, etwas Pappe und Papier, ein Streifen Kupfer, ein Stück Kohlestift aus einer ollen Taschenlampenbatterie, ein wenig Elektrolytlösung (in diesem Fall Kontaktlinsenlösung), ein paar Tropfen Farbstofflösung (hier Methylenblau Lösung nach Löffler), eine Kamera sowie ein Stativ mit Muffen, Ring und Klemmen genügen schon.
Wie das alles zusammenpassen will?
ganz einfach:
- man montiert die Lampe unten am Stativ, sodaß sie senkrecht nach oben leuchtet.
- senkrecht darüber (aber mit etwas Abstand, wegen der Hitze der Lichtquelle) bringt man den Ring in Position und legt ein stück Pappe mit mittigem Loch darauf, das knapp enger als die Petrischale sein sollte.
- ein zurechtgestutztes Stück einfaches Schreibpapier wird als Mattscheibe über das Loch gelegt.
- nun nimmt man die Petrischale zur Hand, umwickelt sie auf dem umlaufenden Rand mit etwa 50 Windungen Kupferlackdraht, den man mit etwas Tesafilm oder dergleichen fixiert, sodaß man eine Spule mit zwei Abgriffen/Anschlußenden um die Schale herum bekommt.
- dieses Gebilde wird nun über das vom dünnen Papier verdeckte Loch gestellt.
- den Kupferblechstreifen biegt man sich rund so zurecht, daß er gerade innen am Rande entlang in die Petrischale zu stellen ist. Es soll ein voller Ring sein, der an einer Stelle vermittels hochgebogenem ende zum einen den Ringschluß fixiert, zum anderen einen Zipfel zum Anklemmen einer Krokodilklemme bereitet.
- nun umwickelt man ein Ende des Kohlestifts mit etwas Kupferdraht, sodaß eine leitende Verbindung entsteht.
-man stellt den kupfernen Ring in die Schale, positioniert den Kohlestift aufrecht in der Mitte und hält ihn dort locker, indem man den Draht am langen Ende am Stativ befestigt. (ich habe aus praktischen gründen einen streifen Kunststoff genommen und den Stift sowie den Draht daran festgeklebt, das ganze dann über die Schale gelegt)
- nun bringt man die Kamera darüber ans Stativ und stellt sie so ein, daß die Schale gerade deutlich zu erkennen ist.
- man verbindet ein Netzteil mit den Anschlüssen der Spule, das andere mit dem Kohlestift als Kathode, den Kupferring als Anode.
- schließlich füllt man etwa 3mm hoch Elektrolytflüssigkeit in die Schale, läßt das ganze einige Stunden ruhen um Wirbel und Eigenbewegungen der Flüssigkeit zu vermeiden, stellt für die Elektroden etwa 9V ein, startet die Kamera zur filmischen Aufnahme und gibt einen Tropfen Farbstoff etwa auf halbem Wege zwischen beide Elektroden.
Binnen kurzer Zeit beobachtet man, daß die sich langsam verteilende Farbstoffwolke sich in Richtung der Anode bewegt. Dies geschieht umso schneller, je höher man den Stromfluß zwischen den Elektroden einstellt.
Da das dank des geringen Abstands noch nicht sehr gut zu beobachten ist und sowieso auch solche Wanderungsbewegungen leicht von unmerklichen Luftzügen über der Flüssigkeit beeinflußt werden kann schaltet man nun das andere Netzteil ein und stellt daran einen Strom von etwa 200 bis 300 Milliampere ein.
Schnell bemerkt man eine deutliche Richtungsänderung der Flüssigkeitsströme. Abgesehen von Wirbeln wird der Farbstoff nun etwa im Kreise in der Schale herumgeführt. Schaltet man den Spulenstrom wieder aus und wartet ein paar Minuen (die Trägheit der sich bewegenden Füssigkeit sorgt für eine gewisse Fortdauer der Kreisbewegung), so findet man wieder die gerade verlaufende Strömungsrichtung zwischen Kathode und Anode.
Schaltet man statt der Spule den Elektrolysestrom ab, so findet jegliche Bewegung in der Schale ein baldiges Ende.
Bei genauerer Analyse der Kreisbewegung findet man, daß es eigentlich kein Kreis, sondern eine Spirale ist, die zudem noch von allerlei Wirbeln gestört wird.
Was ist da passiert?
Betrachtet man eine Elektrolyse, so findet man, daß ein elektrischer Strom durch eine Flüssigkeit geleitet wird. Im Falle wässriger Lösungen können allerdings nicht freie Elektronen die Wanderung unternehmen, sie müssen sich geladene Atome bzw Moleküle (sogenannte Ionen) als Transportvehikel nehmen. In wässrigen Medien findet man zwei Arten Ionen praktisch immer: Wasserstoffionen (H+) und Hydroxylionen (OH-). Während ein Wasserstoffion im Grunde nichts ist, als ein von elektronen entblößtes Proton (der Atomkern des einfachsten Wasserstoffisotops) und somit für sich genommen in chemischen Größenordnungen keinen nennenswerten Raum beansprucht besteht ein Hydroxylion aus einem Wassermolekül, dem ein Proton fehlt, (dessen Elektron sich noch beim Sauerstoff bzw in der Elektronenwolke des Moleküls befindet) und nimmt somit aus chemischer Sicht fast ebensoviel Raum ein, wie ein Wassermolekül.
Ein Wassermolekül charakterisiert sich in unserer Betrachtung vor allen durch die recht geringe Elektronendichte um die beiden Wasserstoffatome und der sehr hohen Elektronendichte des Sauerstoffatoms, aus dem gewissermaßen an der "Rückseite" des gewinkelten Moleküls zwei keulenförmige negative Ladungswolken der Sauerstoffschale herausragen.
An diese kann sich unser Proton im folgenden "anhängen" und so "zumindest ein wenig" sein Bestreben nach einem Hüllelektron kompensieren. Das so entstehende einfach positiv geladene Ion H3O+ wird als Hydronium oder nach neuerer Nomenklatur Oxonium bezeichnet. Dieses Ion ist als nur aus statistischer sicht stabil anzusehen, denn aufgrund der überall im Wasser dicht an dicht liegenden Moleküle mit den geschilderten Ladungsverteilungen finden zum Transport einer solchen positiven Ladung zwei Prozesse Anwendung. Einerseits wird so ein Proton zwischen vielen Molekülen hin- und hergereicht, was dank fehlender räumlicher Ausdehnung und obendrein geringer Masse sehr schnell geht, andererseits kann sich der Sauerstoff solch eines zeitweiligen Hydroniumions durchaus umorientieren und statt des urprünglichen eins seiner ursprünglich fest gebundenen Protonen weiterreichen, was eine Spur langsamer abläuft. Insgesamt ist also ein solches freies Proton als quasi-delokalisiert zu betrachten, was den Ladungstransport durch eine wässrige Lösung sehr sehr schnell macht und obendrein fast keine mechanischen Effekte verursacht.
Für die Hydroxylionen hingegen sieht das ganze schon deutlich anders aus. Es hat eine Räumliche ausdehnung und kann obendrein deutlich schwerer von anderen Molekülen Protonen klauen und so die Ladung weiterreichen. Die Coulombkraft wirkt also auf einen "massiven Klotz", der sich nicht mal eben zwischen den Molekülen des Lösemittels durchmogeln kann. Das große Ion wandert also in Richtung der Anode, stößt dabei mit Wassermolekülen zusammen und übt somit Druck aus, nimmt diese mit bei der Bewegung. Eine Strömung entsteht, die genau die Richtung des wandernden Hydroxylions hat.
Genaugenommen habe ich ja nicht reines Wasser verwendet, sondern eine verdünnte Lösung von Natriumchlorid und Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA - vielen sicher aus der Komplexometrie bekannt)(nicht das Natriumsalz) in Wasser, was aufgrund des riesigen Basenions noch deutlich stärkere mechanische Effekte erzeugt, als ein Hydroxylion.
Schaltet man nun das Magnetfeld eins, so wirkt eine zusätzliche Kraft auf die Ionen = bewegten Ladungsträger. Aus der Mittelstufenphysik kennen die meisten das sicher noch: "Ein bewegter Ladungsträger wird senkrecht zur Magnetfeldrichtung abgelenkt". Je nach Polung und Wicklungsrichtung der Spule um die Petrischale reicht das Magnetfeld hier senkrecht aus der von der ionenhaltigen Flüssigkeit durchströmten Fläche heraus oder hinein. Entsprechend zur  Rechte-Faust-Regel für stromdurchflossene Leiter wird die Fließrichtung der Ionen und damit auch des mitgerissenen Flüssigkeitsstroms ( und natürlich auch des Farbstoffes ) abgelenkt, bei ausreichend starkem Stromfluß durch die Spule sogar bis zur annähernden Kreisbahn.
habe ich noch irgendwas vergessen? fehler gemacht? bitte gebt mir nachricht 
mit gedeihlichem Gruße,
die eule
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Wahnsinnig mag zutreffen, aber mein wahnsinn hat methode.
Schämen sollten sich die Menschen, die sich gedankenlos der Wunder der Wissenschaft und Technik bedienen und nicht mehr davon geistig erfasst haben als die Kuh von der Botanik der Pflanzen, die sie mit Wohlbehagen frisst. (A. Einstein) |
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