Bartosz Puchalski 13.IV.2005

Ćwiczenie 19

Wyznaczanie szybkości przenikania tlenu

przez granicę faz powietrze-roztwór metodą

woltamperometrii z wirującą elektrodą platynową

Do niskiej zlewki na 100 cm³ odmierzyłem z pipety 50 cm³ 0,1 m KCl. Na wadze analitycznej w krokodylku odważyłem z dokładnością do 0,001 g około 0,1 g bezwodnego Na₂SO₃. Odważkę tę rozpuściłem w kolbce stożkowej w 10 cm³ wody, odmierzonej za pomocą pipety. Kolbę zamknąłem korkiem. Elektrody były już podłączone. Oba pokrętła regulacji napięcia obróciłem ostrożnie w lewo do oporu. W gniazdach zasilania były już umieszczone wtyczki bananowe przewodów dla połączenia ze źródłem napięcia stałego 2V. Włączyłem do gniazda sieciowego wtyczkę przewodu zasilającego silnik wirującej elektrody platynowej. Podczas wszystkich operacji związanych z podnoszeniem i opuszczaniem jak również przemywaniem WEPt, elektroda pozostawała nieruchoma. Pomiary wykonywałem ze stałą głębokością zanurzenia WEPt, zapewnioną przez urządzenie ograniczające ruch elektrody ku dołowi.

Włączyłem obroty silnika. Rozpocząłem rejestrację krzywej woltamperometrycznej dla procesu redukcji rozpuszczonego w roztworze tlenu. Zwiększając stopniowo co 0,05V napięcie przyłożone do elektrod, odczytywałem odpowiadające mu każdorazowo natężenie prądu. Odczyty prądu prowadziłem aż do osiągnięcia napięcia 1,2V.

Przyłożone do elektrod napięcie sprowadziłem do 0V, dodałem od 0,3 cm³ przygotowanego roztworu Na₂SO₃ do roztworu 0,1 m KCl w zlewce i ostrożnie zamieszałem go. Zanotowałem czas zegarowy dodania roztworu Na₂SO₃. Po upływie 5 min. rejestrowałem krzywą woltamperometryczną. Notowałem czas zegarowy, w którym zostało osiągnięte napięcie 0,9 V. Dodałem kolejną porcję roztworu Na₂SO₃ i postępowałem jak powyżej rejestrując krzywe woltamperometryczne, aż do uzyskania takich trzech, dla których wartości natężenia prądu przy potencjale 0,9 V będą sobie równe (i dużo niższe niż 10 μA). Po osiągnięciu takiego stanu wyłączyłem silnik WEPt, podniosłem WEPt ze zlewki i nad krystalizatorem przemyłem ją wodą destylowaną z tryskawki. Łącznik agarowy opłukałem wodą destylowaną i umieściłem w przeznaczonym dla niego naczyniu.

1. Tabela z wynikami eksperymentalnymi:

Potencjał E [V]	Natężenie prądu [A]
		Objętość dodanego Na2SO3 [cm^3]
		V = 0	V = 0,3	V = 0,6	V = 0,9	V = 1,2	V = 1,5
0	2	2	0	0	0	0
0,05	6	4	0	0	0	0
0,10	11	6	0	0	0	0
0,15	16	8	0	0	0	0
0,20	21	10	1	0	0	0
0,25	31	14	2	0	0	0
0,30	40	20	2	0	0	0
0,35	46	26	2	0	0	0
0,40	56	32	2	0	0	0
0,45	64	36	2	0	0	0
0,50	74	42	2	0	0	0
0,55	82	48	2	0	0	0
0,60	90	52	3	0	0	0
0,65	100	58	3	0	0	0
0,70	110	64	3	1	1	1
0,75	111	66	3	2	1	1
0,80	118	70	4	2	2	2
0,85	128	72	4	4	2	2
0,90	136	73	4	4	3	4
0,95	145	74	5	6	4	4
1,00	brak skali	76	6	8	6	6
1,05	brak skali	79	10	9	8	10
1,10	brak skali	84	14	16	14	16
1,15	brak skali	90	24	24	22	22
1,20	brak skali	96	32	32	33	32

2. Tabela z zawartością tlenu w wodzie pozostającej w równowadze z powietrzem

pod ciśnieniem 1013,25 hPa

Temperatura ^oC	14	16	18	20	22	24	26	28	30
cm^3 O2 w 1 dm^3 wody	7,19	6,89	6,61	6,36	6,11	5,89	5,67	5,46	5,26

3. Obliczam liczbę moli w cm³ tlenu rozpuszczonego w 50 cm³ roztworu KCl w 20 ^oC (wartość cm³ tlenu wynosi 6,36) i 1008,2 hPa.

6,36 cm³ - 1000 cm³

x - 50 cm³

x = 0,318 cm³ O₂

• Z równania Clapeyrona wiadomo że objętość molowa gazu doskonałego w temperaturze 20 ^oC i ciśnieniu 1008,2 hPa wynosi 24,15 [dm³/mol]:

1 mol O₂ - 24,15 dm³

x - 0,318×10^-3 dm³ O₂

x = 1,32×10^-5 mola O₂

4. Obliczam teoretyczną liczbę moli Na₂SO₃ potrzebną do związania tlenu rozpuszczonego w roztworze KCl.

- reakcja opisująca ten proces wygląda następująco:

1 mol O₂ reaguje z - 2 molami Na₂SO₃

1,32×10^-5 mola O₂ reaguje z - x molami Na₂SO₃

x = 2,64×10^-5 moli Na₂SO₃

5.Obliczam liczbę moli i objętość cm³ tlenu związanego w trakcie miareczkowania - w oparciu o punkt równoważnikowy wyznaczony z wykresu miareczkowania amperometrycznego.

- Objętość Na₂SO₄ w punkcie równoważnikowym wynosi 0,6 [cm³], naważka Na₂SO₄ ma wartość równą 0,102 [g], objętość molowa gazu doskonałego wynosi 24,15 [dm³/mol].

- Obliczam ilość moli Na₂SO₄ w punkcie równoważnikowym:

1 mol Na₂SO₃ waży - 126,06 g

x moli waży - 0,102 g

x = 8,09×10^-4 mola Na₂SO₃

8,09×10^-4 mola Na₂SO₃ rozpuszczono w - 10 cm³ wody

x mola Na₂SO₃ było w - 0,6 cm³ roztworu

x = 4,85×10^-5 mola Na₂SO₃

- Obliczam liczbę moli i objętość tlenu związanego w trakcie miareczkowania:

2 mole Na₂SO₃ reagują z - 1 molem O₂

4,85×10^-5 mola Na₂SO₃ reaguje z - x molami O₂

x = 2,425×10^-5 mola O₂

1 mol O₂ zajmuje objętość - 24,15 dm³

2,425×10^-5 mola O₂ zajmuje - x dm³

x = 5,85×10^-4 dm³ O₂ = 0,585 cm³

6. Obliczam objętość tlenu jaka przeszła z atmosfery do to roztworu od momentu rozpoczęcia miareczkowania do czasu, kiedy został osiągnięty punkt równoważnikowy.

V = 0,585 cm³ - 0,318 cm³ = 0,267 cm³ O₂

7. Obliczam szybkość przenikania tlenu przez granicę faz.

- posługuję się wzorem:

gdzie;
- objętość tlenu, P - powierzchnia KCl w zlewce, t - czas od podania pierwszej porcji Na₂SO₃ do osiągnięcia PR

= 0,267 cm³

P = πr² = π×(2,42 cm)²

P = π×(2,18 cm)² = 18,389 cm³

t = 22,22 min = 1342 s

- po podstawieniu:

Wnioski.

Proces przenikania tlenu przez granicę faz powietrze - roztwór zachodzi jednak jego szybkość jest nieznaczna i wynosi 1,08×10^-5 cm/s. W skutek czego objętość tlenu obecna w roztworze na skutek przenikania jest nieznaczna, bo rzędu 0,27 cm³. Pewien błąd może powodować inne ciśnienie niż to, które zostało podane przy tabeli z zawartością tlenu w wodzie pozostającej w równowadze z powietrzem. Ze względu na duże objętości dodawanego Na₂SO₄ (0,3 cm³) punkt równoważnikowy został osiągnięty dość szybko. Ćwiczenie to udowadnia, że wirująca elektroda platynowa doskonale zastępuje elektrodę rtęciową.

---