Temat ćwiczenia
Wyznaczanie potencjału wydzielania wodoru.
Cel ćwiczenia
Doświadczalne przebadanie krzywych prąd - napięcie (metodą galwanostatyczną) dla wydzielania wodoru na platynie i na miedzi oraz wyznaczanie nadnapięcia wydzielania wodoru na Pt i Cu.
Pomiary
Katoda Cu [mA] |
NaOH 0,1N [mV] |
NaOH 0,01 [mV] |
H2SO4 0,1N [mV] |
H2SO4 0,01N [mV] |
Katoda Pt [mA] |
NaOH 0,1N [mV] |
NaOH 0,01 [mV] |
H2SO4 0,1N [mV] |
H2SO4 0,01N [mV] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0,2 | -1,50 | -1,50 | -0,72 | -0,90 | 0,2 | -1,35 | -1,39 | -0,52 | -0,69 |
| 0,4 | -1,54 | -1,58 | -0,74 | -0,94 | 0,4 | -1,39 | -1,44 | -0,58 | -0,75 |
| 0,6 | -1,57 | -1,60 | -0,76 | -0,97 | 0,6 | -1,43 | -1,49 | -0,60 | -0,80 |
| 0,8 | -1,59 | -1,64 | -0,78 | -0,99 | 0,8 | -1,45 | -1,57 | -0,64 | -0,85 |
| 1,0 | -1,61 | -1,67 | -0,79 | -1,03 | 1,0 | -1,47 | -1,60 | -0,65 | -0,91 |
| 1,2 | -1,63 | -1,70 | -0,79 | -1,06 | 1,2 | -1,49 | -1,64 | -0,67 | -0,93 |
| 1,4 | -1,64 | -1,74 | -0,80 | -1,08 | 1,4 | -1,51 | -1,66 | -0,69 | -1,12 |
| 1,6 | -1,66 | -1,78 | -0,81 | -1,10 | 1,6 | -1,53 | -1,69 | -0,71 | -1,63 |
| 1,8 | -1,67 | -1,79 | -0,82 | -1,13 | 1,8 | -1,54 | -1,72 | -0,73 | -1,71 |
| 2,0 | -1,68 | -1,81 | -0,82 | -1,17 | 2,0 | -1,55 | -1,74 | -0,74 | -1,64 |
| 2,2 | -1,69 | -1,84 | -0,83 | -1,20 | 2,2 | -1,56 | -1,77 | -0,76 | -1,68 |
| 2,4 | -1,70 | -1,86 | -0,84 | -1,22 | 2,4 | -1,57 | -1,80 | -0,77 | -1,77 |
| 2,6 | -1,71 | -1,91 | -0,84 | -1,25 | 2,6 | -1,59 | -1,82 | -0,78 | -1,77 |
| 2,8 | -1,72 | -1,95 | -0,85 | -1,36 | 2,8 | -1,60 | -1,85 | -0,79 | -1,78 |
| 3,0 | -1,73 | -1,99 | -0,86 | -1,79 | 3,0 | -1,61 | -1,87 | -0,80 | -1,82 |
| 3,2 | -1,74 | -2,01 | -0,86 | -1,82 | 3,2 | -1,61 | -1,90 | -0,82 | -1,84 |
| 3,4 | -1,75 | -2,03 | -0,87 | -1,85 | 3,4 | -1,63 | -1,93 | -0,82 | -1,86 |
| 3,6 | -1,76 | -2,05 | -0,87 | -1,86 | 3,6 | -1,63 | -1,95 | -0,83 | -1,89 |
| 3,8 | -1,77 | -2,05 | -0,88 | -1,86 | 3,8 | -1,64 | -1,97 | -0,85 | -1,93 |
| 4,0 | -1,78 | -2,06 | -0,88 | -1,87 | 4,0 | -1,65 | -2,00 | -0,86 | -1,93 |
| 4,2 | -1,79 | -2,08 | -0,89 | -1,89 | 4,2 | -1,66 | -2,02 | -0,87 | -1,96 |
| 4,4 | -1,79 | -2,10 | -0,89 | -1,90 | 4,4 | -1,67 | -2,04 | -0,87 | -1,99 |
| 4,6 | -1,80 | -2,12 | -0,89 | -1,91 | 4,6 | -1,67 | -2,07 | -0,89 | -2,01 |
| 4,8 | -1,81 | -2,15 | -0,90 | -1,94 | 4,8 | -1,68 | -2,10 | -0,90 | -2,01 |
| 5,0 | -1,81 | -2,18 | -0,90 | -1,96 | 5,0 | -1,68 | -2,12 | -0,91 | -2,05 |
Wykresy
Obliczenia
potencjał wydzielania EW
Ew = E + η
Potencjał wydzielania procesu katodowego:
η = EK − E
Potencjał wydzielania procesu anodowego:
η = E − EA
Stąd:
Ew = E + EK − E = EK
Ew = E − EA + E = 2E − EA
Odczynniki [mol] |
EW (proces katodowy)[mV] |
|---|---|
| Katoda Cu | |
| NaOH | 0,1 |
| 0,01 | |
| H2SO4 | 0,1 |
| 0,01 |
Dla procesu anodowego wartość E jest nieznana, gdyż nie został wykonany pomiar w odpowiednim zakresie. Dlatego został on jedynie oszacowany na potrzebę poniższych obliczeń:
Odczynniki [mol] |
EW (proces anodowy) [mV] |
|---|---|
| Katoda Cu | |
| NaOH | 0,1 |
| 0,01 | |
| H2SO4 | 0,1 |
| 0,01 |
wartość potencjałów wydzielania w skali wodorowej
EW(w skali wodorowej) = Ew + 0, 274V
Odczynniki [mol] |
EW (w skali wodorowej) [mV] |
|---|---|
| Katoda Cu | |
| NaOH | 0,1 |
| 0,01 | |
| H2SO4 | 0,1 |
| 0,01 |
nadnapięcie wydzielania wodoru
Nadnapięcie procesu katodowego:
η = EK − E
Odczynniki [mol] |
Wartość nadnapięcia [mV] |
|---|---|
| Katoda Cu | |
| NaOH | 0,1 |
| 0,01 | |
| H2SO4 | 0,1 |
| 0,01 | |
| Średnia | -1,67 |
Nadnapięcie procesu anodowego:
η = E − EA
Odczynniki [mol] |
Wartość nadnapięcia[mV] |
|---|---|
| Katoda Cu | |
| NaOH | 0,1 |
| 0,01 | |
| H2SO4 | 0,1 |
| 0,01 | |
| Średnia | -2,515 |
potencjał spoczynkowy (z równania Nernst'a)
$$E = E^{0} + \frac{\text{RT}}{\text{nF}}\ln\frac{a\left\lbrack u \right\rbrack}{a\left\lbrack z \right\rbrack}$$
E0 - potencjał standardowy
R - stała gazowa =8,314 J/K*mol
T - temperatura w kelvinach =298K
n - liczba elektronów wymieniana w reakcji
F - stała Faraday'a = 96485 C/mol
a - aktywność formy
[u] - stężenie formy utlenionej
[z] - stężenie formy zredukowanej
pH2 - ciśnienie gazowego wodoru = 1 atm
Dla tego przypadku równanie Nernst'a można uprościć przyjmując założenie, że współczynnik aktywności jonów jest równy jedności oraz aktywność gazowego wodoru jest równa ciśnieniu gazu.
$$E = 0 + \frac{8,314 \bullet 298}{2 \bullet 96485}\ln\frac{\left\lbrack H^{+} \right\rbrack^{2}}{p_{H_{2}}}$$
E = −0, 059pH
Ekwas 0, 1 = −0, 059 • 1 = −0, 059V
Ekwas 0, 01 = −0, 059 • 2 = −0, 118V
Espocz = −0, 118 + 0, 059 = −0, 059V
Ezasada 0, 1 = −0, 059 • 13 = −0, 767V
Ezasada 0, 01 = −0, 059 • 12 = −0, 708V
Espocz = −0, 767 + 0, 708 = −0, 059V
Wnioski
pomiary są wykonywane dla silnych elektrod o dodatnim potencjale standardowym, którymi są platyna i miedź;
otrzymane wyniki nieznacznie odbiegają od normy, może to wynikać z błędów człowieka tj. niedobry odczyt wyniku, jak i z błędu aparatury, która posiadała na sobie resztki poprzednio badanego roztworu;
ze względu na zbyt wąski zakres badania nie można było wyliczyć jednoznacznie (bez zaokrągleń) wielu zmiennych, dlatego proponuje poszerzyć zakres od 0-5,0 zamiast od 0,2 - 5,0;
z wyżej podanego powodu nie można było obserwować całego przebiegu krzywej prąd - napięcie, bo zakres odnosił się tylko do skali dodatniej;
z powodu źle dobranej skali nie można było wyznaczyć w wielu przypadków potencjału katody, gdyż znajdował się on poza wykresem;
potencjał spoczynkowy dla obu układów jest równy i wynosi -0,059V;
dzięki wyliczonym nadnapięciom można poznać, który z odczynników ma charakter najbardziej utleniający, a który redukujący, bo jak wiemy najłatwiej redukują się jony, które mają największe nadpotencjały, a najtrudniej o najmniejszych potencjałach;
ćwiczenie bardzo ciekawe, można było organoleptycznie przekonać się jak niewielka zmiana stężenia może wpłynąć znacząco na wydzielanie się wodoru, a także na wielkość nadnapięcia tego roztworu.