Robert Maniura

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 30: Liczby przenoszenia jonów.

1. Wstęp teoretyczny:

W przewodzeniu prądu przez roztwór biorą udział zarówno jony dodatnie, jak i ujemne. Podstawowe znaczenie ma więc wyznaczenie ułamka ładunku elektrycznego przenoszonego przez każdy jon w danym elektrolicie. W tym celu wprowadzono tzw. liczby przenoszenia t ₊ i t _-, określające ułamki ogólnego ładunku elektrycznego przenoszone przez kation i anion. Z definicji tej wynika zależność:

W przewodnikach metalicznych cały ładunek elektryczny przenoszony jest przez elektrony, a zatem dla takich przewodników t _- = 1, t ₊ = 0. W przypadku roztworów elektrolitów najczęstszą metodą, którą określamy ułamki ładunku elektrycznego przenoszone przez aniony i kationy, jest metoda Hittorfa.

Rozważmy, co dzieje się w przestrzeni katodowej i anodowej, w czasie elektrolizy kwasu azotowego (V), przeprowadzonej w aparacie Hittorfa.

• przestrzeń katodowa - w wyniku wędrówki jonów zmienia się tu stężenie jonów H⁺ i NO₃^-; oprócz tego na katodzie następuje wydzielenie 1 gramorównoważnika H⁺ w reakcji

Pt(-) 2H⁺ + 2e^- → H₂ zmianę liczby gramorównoważników H⁺ i NO₃^- możemy policzyć wiedząc, że jest on równy sumie reakcji elektrodowej i efektu migracji:
- otrzymujemy wartość -t _-;

• przestrzeń anodowa - stężenie jonów H⁺ i NO₃^- zmienia się również w skutek ich wędrówki oraz reakcji utlenienia tlenu zachodzącego na anodzie

2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e^- przy czym zmiana liczby gramorównoważników H⁺ i NO₃^- liczymy jak wyżej
i otrzymujemy wartość +t _-;

Powyższe obliczenia tyczyły zmiany liczby gramorównoważników, nie zaś zmian stężenia i są one podstawą wprowadzonej przez Hittorfa metody wyznaczania liczb przenoszenia. Istnieją również inne metody wyznaczania liczb przenoszenia, jednak powyższa metoda w sposób wystarczający ilustruje sens tych wielkości i zasadę ich określania.

2. Opracowanie wyników:

Elektrolizę prowadzono pod natężeniem prądu I = 50 mA, w czasie 3600 s. Do miareczkowania użyto roztworu NaOH o stężeniu 0,05 mol/dm³ oraz pobierano po 5 cm³ próbek. Stężenie jonów wodorowych w próbkach można obliczyć na podstawie zależności:

Lp.	VNaOH zużyte dla roztworu wyjściowego [cm^3]	VNaOH zużyte dla przestrzeni anodowej [cm^3]	VNaOH zużyte dla przestrzeni katodowej [cm^3]
1.	7,7	9,45	6,2
2.	7,7	9,45	6,2
3.	7,7	9,5	6,15
wartość średnia	7,7	9,47	6,18
stężenie [mol/dm^3]	CW = 0,077 [mol/dm^3]	CA = 0,0947 [mol/dm^3]	CK = 0,0618 [mol/dm^3]

Obliczam liczby przenoszenia jonów z następujących zależności:

gdzie:
- liczba przenoszenia H⁺;
- liczba przenoszenia NO₃^-; n - zmiana liczby moli w przestreniach katodowej i anodowej; F - stała Faradaya; Q = I * t - ładunek przepuszczony przez roztwór HNO₃ w czasie t = 3600 [s] i natężeniu 50 [mA] = 0,05 [A].

Zmianę liczby moli n można obliczyć wykorzystując zmianę stężenia w przestrzeniach katodowej i anodowej:

gdzie: C_K - zmiana stężenia przestrzeni katodowej; C_A - zmiana stężenia przestrzeni anodowej; C_W - stężenie początkowe; C_K - stężenie przestrzeni katodowej po przeprowadzonej elektrolizie; C_A - stężenie przestrzeni anodowej po przeprowadzonej elektrolizie.

Zmiana stężeń w przestrzeniach katodowej i anodowej pomnożone przez całkowite objętości tych przestrzeni (V_K i V_A) dadzą nam zmianę liczby moli:

gdzie: V_K = 41 cm³ = 0,041 dm³; V_A = 35 cm³ = 0,035 dm³.

Z tych założeń można obliczyć ostatecznie liczby przenoszenia:

Zatem:

Porównanie z wartościami literaturowymi:

Liczba przenoszenia	Wartość eksperymentalna	Wartość literaturowa	Błąd procentowy
	0,3330	0,1650	101,82 %
	0,6670	0,8350	20,12 %

4. Wnioski:

W przypadku roztworów elektrolitów dokładne określenie liczby przenoszenia jest trudne, choć istnieją metody pozwalające na wyznaczanie tych wartości z dużą dokładnością. Doświadczenie wykonane przeze mnie nie jest doświadczeniem skomplikowanym, lecz uzyskane wyniki odbiegają od danych literaturowych. Błędy procentowe wynoszą odpowiednio 101,82 % i 20,12 %.

Cel ćwiczenia został osiągnięty, pomimo odchyleń od danych literaturowych (wskutek błędów metodycznych popełnionych przeze mnie).

2

---