Numer ćwiczenia: 3	Temat ćwiczenia: Ruchliwość jonów. Liczby przenoszenia.	Data wykonania ćwiczenia: 22.04.2008
				Data oddania sprawozdania: 29.04.2008
Grupa:	Imię i nazwisko:	Nazwisko sprawdzającego: mgr Leszek Zaraska
Uwagi:		Ocena:

1. Cel ćwiczenia:

Celem przeprowadzonego ćwiczenia było wyznaczenie ruchliwości, przewodnictwa jonowego i promienia jonu
metodą ruchomej granicy oraz liczb przenoszenia jonów H⁺ oraz
za pomocą aparatu Hittorfa.

2. Przebieg ćwiczenia:

a) ruchliwość jonów:

1. U - rurkę napełniono 0,003 M KNO₃ do około 1/3 wysokości i usunięto powietrze
   z obszaru wokół kranu.

2. Do lejka nalano 0,003 M KMnO₄ i ostrożnie odkręcono kranik, by uzyskać ostrą granicę między fazami.

3. Podłączono elektrody i włączono źródło zasalania, jednocześnie rozpoczynając pomiar czasu.

4. Dokonano trzech pomiarów czasu, po którym granica przesunęła się każdorazowo
   o 0,5 cm.

5. Wykonano pomiar dla napięcia 80 V, a następnie umyto i ponownie napełniono
   U-rurkę roztworami KNO₃ i KMnO₄ i dokonano pomiaru dla napięcia równego
   160 V.

b) liczby przenoszenia:

1. Zestawiono zestaw pomiarowy w skład którego weszły: naczyńko Hittorfa, kulometr gazowy i źródło prądu.

2. Naczyńko Hittorfa napełniono 0,05 m HNO₃ i umieszczono w nim elektrody platynowe.

3. Kulometr napełniono 0,1 M NaOH.

4. Zanotowano poziom zasady w kalibrowanej rurce.

5. Włączono zasilanie i ustawiono prąd elektrolizy na 0,05 A. notowano czas elektrolizy.

6. Po elektrolizie zebrano roztwór ze środkowej części naczyńka Hittorfa.

7. Do cylindrów miarowych zebrano osobno anolit i katolit i wyznaczono ich dokładne objętości.

8. Miareczkowano po dwie próbki o objętości 10 cm³ 0,1 M roztworem NaOH wobec fenoloftaleiny.

3. Wyniki ćwiczenia:

a) ruchliwość jonów:

Wyniki pomiarów zebrano w poniższej tabeli:

	U = 80V	 t [s]	U=160V	 t [s]
t1	7min 18 s	438	3min 57 s	237
t2	15min 5 s	467	7min 41s	224
t3	24min 41 s	586	10min 19s	158
t śr	487 s		206 s
E	19mA		38mA

b) liczby przenoszenia:

Roztwór	Vcałkowita r-ru [cm^3]	V titranta [cm^3]	Vśr titranta [cm^3]
anolit	29	10,45	10,375
					10,30
		katolit		27	9,30	9,375
					9,45

Temp = 22^oC

p = 980,5 hPa

t_elektrolizy = 20min 12s

objętość zasady w kalibrowanej rurce: poziom 0: 13,2 cm³

koniec: 3,2 cm³

4. Opracowanie wyników:

1. Zakładając jednostajny ruch jonów w polu elektrycznym wyliczono średnią prędkość przesuwania się granicy dla każdego z przyłożonych napięć:

gdzie v - średnia prędkość,

s - przebyta droga,

t_śr. - średni czas przemieszczania się granicy.

2. Obliczono ruchliwość i przewodnictwo jonu manganianowego(VII) wg wzorów:

gdzie: v - średnia prędkość,

u - ruchliwość jonów,

l - odległość elektrod, równa 30,4 cm,

U - napięcie.

,

gdzie: F − stała Faradaya (96500 C/mol ),

λ^o_- − przewodnictwo jonowe,

u^o_- − ruchliwość anionu.

U [V]	E [1/Vcm]	v [cm/s]	u [cm^2/Vs]	 [Scm^2/val]	śr [Scm^2/val]
80	2,632	0,001027	0,00039	37,6489	41,0757
160	5,263	0,002427	0,00046	44,5024

3. Obliczono promień jonu manganianowego(VII) zgodnie ze wzorem:

gdzie: r - promień jonu,

n - wartościowość jonu,

e₀ - ładunek jednego elektronu, równy 1,6*10^-19 C,

 - współczynnik lepkości wody, równy w temperaturze 22^oC 0,9579 cP,

u⁰ - ruchliwość jonu.

Otrzymano następujące wartości:

U [V]	r [nm]
80	227,2
160	192,2

Ponieważ jon
ma budowę tetraedru, oraz wiadomo, że wartości promieni atomowych wynoszą odpowiednio:
oraz
toteż teoretyczna wartość promienia jonowego wynosi:
+2
=236 nm.

b) liczby przenoszenia:

4. Średnią objętość zużytego podczas miareczkowania titranta przeliczono na całkowitą ilość katolitu i anolitu wg proporcji:

V_śr titranta --------------10 cm³ katolitu (anolitu)

?cm³ titranta -------------V_całkowita katolitu (anolitu),

gdzie: V_śr titranta, V_całkowita katolitu (anolitu) - znane wartości objętości r-ów,

?cm³ titranta - szukana ilość titranta.

Otrzymano następujące wyniki:

Roztwór	Vcałkowita r-ru [cm^3]	Vśr titranta [cm^3]	Vcałkowita titranta [cm^3]
anolit	29	10,375	30,088
katolit	27	9,375	25,313

5. Obliczono liczbę moli kwasu wg wzorów:

=0,0030 mol

=0,0025 mol

gdzie: n_k - liczba moli kwasu w przestrzeni katodowej,

n_a - liczba moli kwasu w przestrzeni anodowej,

c - stężenie roztworu NaOH, równe 0,1 mol/dm³.

6. Obliczono wartości n_a wg wzoru:

Obliczono liczbę przenoszenia jonu
wg wzoru:

,

gdzie: n - całkowita ilość przeniesionych moli kwasu.

W celu wyznaczenia wartości n przeliczono objętość wytworzonej w kolumetrze mieszaniny piorunującej na warunki normalne ( T=273 K, p = 1,013*10⁵ Pa) i uzyskany wynik wykorzystano w dalszych obliczeniach wiedząc, że 1 cm³ mieszaniny piorunującej
w warunkach normalnych odpowiada przeniesieniu 0,0594 milimoli kwasu.

Z równania stanu gazowego: pV = nRT, wobec tego:

=8,957 cm³

gdzie: p₁ - ciśnienie w pomieszczeniu podczas wykonywania ćwiczenia,

T₁ - temperatura w pomieszczeniu podczas wykonywania ćwiczenia,

V₁ - objętość mieszaniny piorunującej w warunkach wykonywania pomiarów,

równa 13,2 cm³-3,2 cm³ = 10 cm³,

p₂ - ciśnienie normalne, równe 1,013*10⁵ Pa,

T₂ - temperatura w warunkach normalnych, równa 273^oC,

V₂ - objętość, jaką zajęłaby mieszanina piorunująca w warunkach normalnych.

A zatem z proporcji:

1cm³ wypartej cieczy----------------0,0594*10^-3 mol kwasu

8,957 cm³ wypartej cieczy----------------x moli kwasu

x = 0,532*10^-3 moli kwasu

Wobec tego
=0,0449.

7. Obliczono liczbę przenoszenia jonu wodorowego jako

=0,9551

1. Podsumowanie:

Celem przeprowadzonego ćwiczenia było wyznaczenie ruchliwości, przewodnictwa jonowego i promienia jonu
metodą ruchomej granicy oraz liczb przenoszenia jonów H⁺ oraz
za pomocą aparatu Hittorfa.

Jeśli chodzi o ruchliwość jonów, to wyznaczone na jej podstawie wartości przewodnictwa jonowego jonu manganianowego(VII) różnią się od tablicowych, wynoszących dla temperatury 25^oC 61,3 cm²S/mol, zaś w temperaturze 18^oC 53 cm²S/mol (nie znaleziono dokładnej wartości dla temperatury pomiaru, tj. 22^oC ani w Kalendarzu chemicznym ani tablicach matematyczno - chemicznych wyd. CRC Press). Podobnie wyliczona z ich użyciem długość promienia jonu różni się od wartości tablicowej, równej
326 nm. W obu przypadkach różnice te nie są do zaniedbania. Powodem takiego stanu rzeczy może być fakt uzyskania nie do końca ostrej granicy, a co za tym idzie niedokładnego pomiaru czasu wędrówki granicy i błędnego wyliczenia ruchliwości jonu. Różnica pomiędzy wartościami może także wynikać z niedokładnego ustawienia przyłożonego napięcia, a także z niedokładności pomiaru odległości między elektrodami za pomocą drutu i linijki.

Co do liczb przenoszenia jonów H⁺ i NO₃^- również wystąpiły odstępstwa od wartości tablicowych, równych:
= 0,84 oraz
= 0,16. Powodem wystąpienia rozbieżności może być fakt niedokładnego zmierzenia objętości roztworów trzyelektrodowych za pomocą cechowanego w innej niż pomiarowa temperaturze oraz błędy związane z miareczkowanie, roztworów, tj. błąd paralaksy, błąd kropli, błąd spływu.

- 1 -

---