1
Politechnika
Białostocka
Wydział
Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia:
Badanie wybranych właściwości elektrolitów
Numer ćwiczenia
:
10
Laboratorium z przedmiotu:
C H E M I A
Studia stacjonarne I stopnia
KOD: EKS1A100007
Opracowanie: dr Mariola Samsonowicz
2
1. Wprowadzenie
Konduktometria jest metodą analityczną polegającą na pomiarze przewodnictwa
elektrycznego lub oporu roztworu umieszczonego między dwiema elektrodami obojętnymi w
warunkach stosowania napięcia zmiennego. Elektrody są wykonane z metali szlachetnych, co
zapobiega zachodzeniu reakcji chemicznych na ich powierzchniach. Na rysunku 1
przedstawiono schemat układu pomiarowego.
Rys. 1. Schemat konduktometrycznego układu pomiarowego
Roztwory elektrolitów różnią się w zasadniczy sposób od roztworów nieelektrolitów (wyższe
ciśnienie osmotyczne, wyższe temperatury wrzenia – przy tych samych stężeniach).
Najbardziej istotną cechą roztworów elektrolitów jest ich zdolność do przewodzenia prądu.
Do grupy przewodników jonowych, w których ładunek przenoszony jest prze jony, należą
sole w stanie stałym lub stopionym oraz roztwory soli, kwasów i zasad.
Przewodność elektrolitów (G) definiuje się jako odwrotność rezystancji:
𝐺 =
1
𝑅
[𝑆] (1)
1𝑆 = 1𝛺
−1
= 1 ∙ 10
3
𝑚𝑆 = 1 ∙ 10
6
𝜇𝑆
[S] – jednostka przewodniości elektrolitycznej; mS – milisimensy; µS - mikrosimensy
Zdolność materiału przewodnika do przewodzenia prądu elektrycznego charakteryzuje opór
właściwy (rezystencja właściwa), określony równaniem wynikającym z II prawa Ohma:
𝜌 = 𝑅 ∙
𝑠
𝑙
(2)
Gdzie:
ρ – rezystencja właściwa charakteryzująca dany materiał. Jest to opór właściwy słupa cieczy
pomiędzy dwoma elektrodami
R – opór przewodnika [Ω]
𝑙 – długość przewodnika [cm]
s – powierzchnia przekroju poprzecznego [cm
2
]
Odwrotność rezystencji właściwej nazywa się przewodnością właściwą (κ).
𝜅 =
1
𝜌
=
𝑙
𝑅∙𝑠
[𝛺
−1
∙ 𝑐𝑚
−1
] (3)
Jest to przewodność elektrolitu zawartego między dwiema elektrodami o powierzchni s = 1
cm
2
i odległości między nimi równej 1 cm.
3
Stosunek
𝑙
𝑠
nazywa się stałą naczynka elektrolitycznego lub pojemnością oporową
naczynka k.
𝑘 =
𝑙
𝑠
[𝑐𝑚
−1
] (4)
Przewodność właściwa zależy od rodzaju elektrolitu, stężenia i temperatury. W danej
temperaturze przewodnictwo właściwe elektrolitu jest funkcją stężenia. W roztworach
elektrolitów o małym stężeniu przewodność właściwa zwiększa się niemal liniowo ze
wzrostem stężenia, natomiast w roztworach o dużym stężeniu początkowo rośnie wraz ze
wzrostem stężenia, a następnie maleje.
Wielkością charakteryzującą przewodność elektrolitów jest przewodność molowa Ʌ:
Ʌ =
𝜅
𝑐
∙ 1000 [𝑆 ∙ 𝑐𝑚
2
∙ 𝑚𝑜𝑙
−1
] (5)
gdzie:
c – stężenie elektrolitu
[𝑚𝑜𝑙 ∙ 𝑑𝑚
−3
]
Elektroliza jest to reakcja chemiczna zachodząca na powierzchni elektrod podczas przepływu
prądu przez elektrolit. W czasie elektrolizy w polu elektrycznym między elektrodami
przepływają jony dodatnie (kationy) w kierunku katody połączonej z ujemnym biegunem
źródła prądu, a jony ujemne (aniony) w kierunku anody połączonej z dodatnim biegunem
źródła prądu. Na granicy faz elektroda - elektrolit zachodzą reakcje utleniania (na anodzie) i
redukcji (na katodzie) jonów elektrolitów. Źródło prądu stałego połączone jest za pomocą
przewodników miedzianych z elektrodami (platynowe, grafitowe lub z innego chemicznie
odpornego materiału). Elektrody są zanurzone w przewodniku elektrolitycznym, który
zawiera (kationy i aniony). Gdy w przewodniku zewnętrznym płynie prąd to na
powierzchniach elektrod przebiegają reakcje elektrochemiczne:
a) na katodzie jony przyłączają elektrony i ulegają redukcji, czyli w kierunku katody
poruszają się jony dodatnie (kationy),
b) na anodzie elektrony są oddawane przez jony i zachodzi reakcja utleniania, w
kierunku anody poruszają się jony ujemne (aniony).
W trakcie elektrolizy na obu elektrodach przebiega reakcja utleniania-redukcji. Elektrony
oddawane przez substancje utleniane na anodzie wędrują przez zewnętrzny obwód
elektryczny do katody, gdzie są pobierane przez substancje redukowane.
Schemat obwodu do elektrolizy.
Katoda(-) jest elektrodą, na której zachodzi proces redukcji (pobierania elektronów z
elektrody), anoda(+) –elektrodą, na której zachodzi utlenianie (dostarczanie elektronów do
elektrody). (oks – utleniacz, red – reduktor)
Proces elektrolizy w ujęciu ilościowym opisują prawa Faraday’a.
Pierwsze prawo Faraday’a.
Masa wydzielonej substancji na elektrodach podczas elektrolizy jest proporcjonalna do
Katoda: oks
1
+ n
1
e
red
1
| n
2
Anoda: red
2
oks
2
+ n
2
e | n
1
--------------------------------------------------
n
2
oks
1
+ n
1
red
2
n
2
red
1
+ n
1
oks
2
4
natężenia prądu i czasu trwania elektrolizy
m = k·I·t = k·Q (6)
𝑚 =
𝑀·𝐼·𝑡
𝑛·𝐹
(7)
m – masa substancji wydzielonej na jednej z elektrod
M – masa 1 mola
I – natężenie prądu [A]
t – czas trwania elektrolizy [s]
n – liczba elektronów biorących udział w reakcji 1 mol substancji
F – stała Faradaya [C/mol] F=96500 [C/mol]
Drugie prawo Faraday’a określa wielkość elektrochemicznego równoważnika k.
Stosunek masy molowej M substancji wydzielającej się na elektrodzie do iloczynu
równoważnika elektrochemicznego k i liczby ładunkowej n reakcji elektrodowej dla jednego
mola tej substancji jest wielkością stałą.
F = 96500 [C/mol = A∙s/mol ]
1F – ładunek 1 mola elektronów
Równanie elektrolizy jest to to zależność łącząca oba prawa Faraday’a
t
I
m
t
I
k
m
k
F
n
M
F
n
M
2
1
Elektroliza znalazła zastosowanie w wielu procesach przemysłowych. Jest
wykorzystywana do:
a) otrzymywana wielu substancji (Cu, Al, Mg, H
2
, Cl
2
, O
2
, F
2
),
b) produkcji proszków metalicznych (Ni, Fe, Cu, Zn, Cd, Sn, W),
c) elektrorafinacji metali (Cu, Ag, Pb, Au, Al.)
d) elektrogalwanizacji,
e) elektropolerowaniu.
2. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
Celem doświadczenia jest pomiar przewodnictwa wodnych roztworów mocnych i
słabych elektrolitów o różnych stężeniach.
Celem doświadczenia jest przeprowadzenie elektrolizy siarczanu (VI) miedzi (II) oraz
określenie masy miedzi wydzielonej na elektrodzie grafitowej.
3. Metodyka badań
3.a. Opis stanowiska badawczego
Doświadczenie 1. Wyznaczanie przewodnictwa wodnych roztworów elektrolitów
Aparatura i szkło laboratoryjne: Konduktometr, naczynko konduktometryczne, szkło
laboratoryjne: pipety, kolby miarowe, zlewki
k
n
M
F
5
Odczynniki: roztwory podstawowe o stężeniu C = 1mol/dm
3
: CH
3
COOH, CH
3
COONa, HCl,
NaNO
3
i sacharozy.
Wykonanie doświadczenia
1. Korzystając z roztworów podstawowych przygotować w kolbach miarowych po 100
cm
2
roztworów CH
3
COOH, CH
3
COONa, HCl, NaNO
3
i sacharozy o stężeniach:0,1;
0,01; 0,001; 0,0001 mol/dm
3
.
2. Roztwory przelać do zlewek o pojemności 50 cm
3
.
3. Za
pomocą konduktometru zmierzyć kolejno przewodnictwo właściwe
przygotowanych roztworów (zaczynając od roztworu o najmniejszym stężeniu) oraz
wody destylowanej i wodociągowej. Należy pamiętać przepłukaniu czujnika
konduktometrycznego i osuszeniu go po zmianie rodzaju roztworu.
Opracowanie wyników badań
1. Otrzymane wyniki pomiarów zamieścić w poniższej tabeli
C
m
/roztwór
Przewodnictwo właściwe [μS/cm]
1mol/dm
3
0,1 mol/dm
3
0,001 mol/dm
3
0,0001 mol/dm
3
CH
3
COOH
CH
3
COONa
HCl
NaNO
3
roztwór
sacharozy
woda
destylowana
woda
wodociągowa
2. Wykreślić (na papierze milimetrowym) zależność przewodnictwa właściwego od
stężenia elektrolitu dla kwasu solnego oraz kwasu octowego κ = f(c). Wyjaśnić
zaobserwowane zjawiska. Przedstawić reakcje dysocjacji za pomocą odpowiednich
równań chemicznych.
3. Wyjaśnić różnicę w przewodnictwie elektrolitycznym pomiędzy poszczególnymi
roztworami: wodą destylowaną, wodą wodociągową, oraz 0,1 mol/dm
3
roztworami:
sacharozy, kwasu solnego i kwasu octowego.
Utylizacja odpadów:
Roztwory poreakcyjne wylewamy do odpowiednich pojemników wskazanych przez
prowadzącego ćwiczenia.
Doświadczenie 2. Elektroliza wodnego roztworu siarczanu(VI) miedzi(II)
Aparatura i szkło laboratoryjne: zestaw do elektrolizy (elektrolizer), elektrody grafitowe,
waga analityczna, stoper lub inne urządzenie umożliwiające pomiar czasu, szkło
laboratoryjne: kolby, zlewki. szczypce, tryskawka w wodą dejonizowaną.
6
Odczynniki: roztwór siarczanu(VI) miedzi(II) o stężeniu C = 1mol/dm
3
.
Wykonanie doświadczenia
1. Zważyć elektrody grafitowe przed rozpoczęciem procesu hydrolizy.
2. Do naczynia elektrolizera wlać badany roztwór.
3. Zamocować elektrody w uchwytach elektrolizera.
4. Włączyć elektrolizer ustawiając natężenie przepływu prądu na 2A.
5. Elektrolizę prowadzić w przeciągu 100s, 200s, 300s, 400s.
6. Zważyć osuszoną (nie wycierać!!!) elektrodę, na której wydzieliła się miedź. Ważenie
należy wykonać każdorazowo po 100s, 200s, 300s, 400s procesu elektrolizy.
Opracowanie wyników badań
Napisać odpowiednie reakcje zachodzące podczas elektrolizy siarczanu(VI) miedzi(II)
Wykonać odpowiednie obliczenia a otrzymane wyniki pomiarów zamieścić w poniższej
tabeli.
Masa wydzielonej miedzi na elektrodzie po
100s
200s
300s
400s
Utylizacja odpadów:
Roztwory poreakcyjne wylewamy do odpowiednich pojemników wskazanych przez
prowadzącego ćwiczenia.
Pytania kontrolne
1. Podział elektrolitów, definicja stopnia i stałej dysocjacji, prawo rozcieńczeń Ostwalda.
2. Wpływ temperatury, stężenia i rodzaju elektrolitu na przewodnictwo.
3. Konduktometria – zasada metody, budowa naczynka konduktometrycznego, stała
naczynka i sposób jej wyznaczania.
4. Przewodnictwo elektrolitów – zasada pomiaru przewodnictwa elektrolitów.
5. Elektroliza wodnych roztworów elektrolitów.
6. Prawa Faraday’a.
Przykładowe zadania.
Oblicz masę miedzi wydzieloną na katodzie podczas elektrolizy roztworu CuCl
2
, jeśli przez
elektrodę przepłynął ładunek 3 F.
Dane: q = 3 F = 3 ∙ 96500 C
Szukane: m = ?
M
Cu
= 63,5g/mol
Ułożenie proporcji:
Oblicz masę srebra wydzielonego na katodzie, jeśli przez elektrodę przepływał prąd o
natężeniu 2A w czasie 300s.
Dane:
Szukane: m = ?
2
2
2
2
)
(
2
)
(
Cl
e
Cl
A
Cu
e
Cu
K
95,3g
2
63,5g
3
x
2
3
63,5g
x
xg
3F
63,5g
2F
Cu
2e
Cu
2
2
n
7
I = 2A
t = 300s
M
Ag
= 108g/mol
F 96500C/mol
K(-) Ag
+
+e Ag n=1
1.Obliczamy ładunek jaki przepłynął przez elektrodę
q = I∙ t
q = 2A∙300s = 600C
2. Obliczamy ładunek w faradach q = 600/96500 F = 0,0062 F
3. Obliczamy masę srebra:
4. Wymagania BHP
Każdy z używanych odczynników wykonujący winien dozować za pomocą mikropipetki
samozasysającej (oddzielnej dla każdego odczynnika) co eliminuje możliwość używania
nadmiernych ilości odczynników, rozlań, poparzeń, napicia się.
Dozowanie odczynników pipetami szklanymi dokonuje się za pomocą nasadki
wciągającej.
Dozowanie związków trujących odbywa się z użyciem cylinderków.
W przypadku skaleczeń należy niezwłocznie obmyć ranę i przy współpracy
prowadzącego laboratorium opatrzyć jałowym środkiem opatrunkowym.
PRZEPISY BEZPIECZEŃSTWA
1. Każdy student jest zobowiązany mieć własny fartuch laboratoryjny.
2. Pracować należy ostrożnie i uważnie, nie prowadzić głośnych, rozpraszających uwagę
rozmów.
3. Należy ściśle stosować się do instrukcji i zarządzeń osoby prowadzącej ćwiczenia,
dotyczących sposobu wykonywania ćwiczeń. Nie wolno wykonywać eksperymentów
i prac nie wchodzących w zakres ćwiczeń, gdyż mogą one zagrażać bezpieczeństwu.
4. Starannie przestrzegać używania właściwych odczynników. Dokładne odczytanie
etykiety na słoiku lub butelce zmniejsza możliwość pomyłki.
5. Doświadczenia, w których wydzielają się żrące lub cuchnące gazy należy wykonywać
pod wyciągiem.
6. Wszystkie roztwory należy pipetować przy użyciu specjalnej nasadki (pompki do
pipet).
7. Ogrzewając ciecze należy unikać ich miejscowego przegrzania. Nie wolno nachylać
się nad otwartym naczyniem z ogrzewaną cieczą. Ogrzewając roztwór w probówce,
jej wylot kierować zawsze należy w stronę, gdzie nikt się nie znajduje.
8. Stężone kwasy i zasady rozcieńczać ostrożnie, wlewając je małymi strumieniem do
wody. Należy uważać, aby ze względu na swe żrące działanie, kwas lub zasada nie
zetknęły się ze skórą. W przypadku zalania ubrania kwasem zmyć je rozcieńczonym
roztworem sody lub amoniaku. Po oblaniu ługiem - stosować należy rozcieńczony
Ag
0,67g
1F
0,0062F
108g
x
x
0,0062F
108g
1F
8
kwas octowy.
9. O każdym wypadku, nawet pozornie błahym, jaki zaszedł w pracowni należy
natychmiast zawiadomić osobę prowadzącą ćwiczenia.
10. Poza teren laboratorium nie wolno wynosić żadnych chemikaliów, roztworów i
substancji
11. Przed opuszczeniem pracowni należy umyć ręce.
PRZEPISY PORZĄDKOWE
Praca w laboratorium chemicznym wymaga dużej koncentracji uwagi oraz
skrupulatnego przestrzegania przepisów porządkowych i przepisów bezpieczeństwa. Każdy
pracujący w laboratorium chemicznym powinien pamiętać, że niewłaściwym zachowaniem i
lekceważącym stosunkiem do przepisów nie tylko utrudnia pracę sobie i innym, ale także
naraża inne osoby na niebezpieczeństwo.
1. W pracowni mogą przebywać tylko studenci należących do grupy wykonującej
ćwiczenia. Obecność obowiązuje przez cały czas trwania ćwiczeń.
2. W pomieszczeniach laboratoryjnych zabronione jest spożywanie posiłków oraz
palenie tytoniu.
3. Studenci odrabiający ćwiczenia obowiązani są do noszenia fartucha lub płaszcza
ochronnego.
4. Pracować należy tylko na wyznaczonym miejscu, posługując się chemikaliami i
sprzętem laboratoryjnym do niego przydzielonym. Wszystkie braki w odczynnikach i
szkle należy zgłaszać pracownikowi inżynieryjno-technicznemu, który natychmiast je
uzupełni.
5. Stół laboratoryjny powinien być zawsze czysty i suchy. Rozlane przypadkowo
chemikalia należy starannie wytrzeć.
6. Butelek i słoików z odczynnikami nie wolno pozostawiać otwartych. Pobranych do
ćwiczeń odczynników nie należy wlewać lub wsypywać z powrotem do butelek czy
słoików, gdyż lepiej zniszczyć pewna niewielką ilość odczynnika niż zanieczyścić
całość.
7. Pozostałości nie zużytych odczynników ciekłych należy wylewać do zlewu, spłukując
go obficie wodą. Roztwory zawierające drogie substancje należy zlewać do specjalnie
do tego celu przygotowanych naczyń. Podobnie postępować należy z resztkami
substancji stałych oraz ze stężonymi roztworami kwasów lub zasad.
8. Zabronione jest wrzucanie części stałych, np. stłuczonego szkła, papieru, zapałek,
korków itp. do zlewów i studzienek przy stołach laboratoryjnych. Wymienione
materiały należy wrzucać do kosza.
9. Zauważone uszkodzenie przyrządu lub zestawu aparaturowego należy zgłosić do
prowadzącego ćwiczenia.
10. Należy oszczędzać gaz, energię elektryczną i wodę. W szczególności odczynniki i
wodę destylowaną zużywać w ilościach jak najmniejszych, niezbędnych do
wykonania ćwiczenia. Do mycia naczyń należy używać wody wodociągowej, a do
płukania już czystych - małej objętości wody destylowanej. Po pobraniu wody
destylowanej z butli z tubusem konieczne jest sprawdzenie, czy ściskacz w
gumowej rurce odpływowej jest dobrze zaciśnięty.
9
5. Literatura
1. „Ćwiczenia rachunkowe z chemii fizycznej”, A. Kisza, P. Freundlich, Wydawnictwo
Uniwerstytetu Wrocławskiego, Wrocław, 2004.
2. „Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej”, T. Bieszczad, M. Moczar, D. Góralczyk,
W. Jarzęba, A.M. Turek, Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, 2000, Kraków.
3. E. Więckowska-Bryłka, Eksperymentalna chemia fizyczna, Wyd. SGGW, Warszawa
2003.
4. „Chemia fizyczna t. 1, t. 2”, K. Pigoń, Z. Róziewicz, PWN, Warszawa, 2009.