Wydział Metali Nieżelaznych

Kierunek Metalurgia

Rok 4

Zespół 3

Fizykochemiczne metody analizy

Temat: Liczba Avogadro.

Majchrzycki Adam

Kałwa Grzegorz

1. Wstęp.

Liczba cząsteczek zawartych w jednym molu dowolnej substancji, zwana jest liczbą Avogadro i oznaczana symbolem N_A. Za najdokładniejszą wartość liczby Avogadro przyjmuje się obecnie:

N_A = 6.022045 (31) ^. 10²³ mol^-1

Znajomość liczby Avogadro pozwala na obliczenie bezwzględnej masy atomu i cząsteczki. Np. w 1 molu atomów wodoru, tj. w 1.0079 g wodoru, mamy 6.022045 ^. 10²³ atomów wodoru. Masa pojedynczego atomu wodoru, m_H, wynosi więc:

Jeżeli weźmiemy pod uwagę dwie różne substancje gazowe (każda w ilości 1 mol) to zawierają one taką samą liczbę cząsteczek. Zgodnie z hipotezą Avogadro muszą więc mieć taką samą objętość jeżeli wykazują taką samą temperaturę (T) i takie samo ciśnienie (p). Zatem w danych warunkach (p i T) objętość 1 mola cząsteczek dowolnej substancji gazowej jest stała¹. W warunkach normalnych (T = 273.15 K, p = 101325 Pa) objętość ta wynosi 22.41383 (70) dm^{3 .} mol^-1.

Stała Avogadro, N_A, może być wyznaczona na drodze eksperymentalnej różnymi metodami. Jedną z najprostszych jest elektroliza H₂O. W trakcie procesu elektrolizy, w wyniku rozkładu H₂O, na katodzie wydziela się gazowy wodór a na anodzie tlen. Reakcje elektrodowe opisano poniżej:

K:
(1)

A:
(2)

Rejestrując wartość natężenia prądu elektrolizy I oraz wyznaczając objętość wydzielonego gazu V (np. H₂) można obliczyć stałą N_A.

2. Cel ćwiczenia.

1. Wyznaczyć wartość liczby Avogadro.

Odczynniki, materiały i aparatura:

Roztwory bazowe: 1 M NaOH w H₂O

Elementy układu pomiarowego: Reaktor (naczynie szklane z pokrywką)

Dwie strzykawki

Amperomierz

Zasilacz elektrolizera

Termometr

Elektrody (izolowane druciki)

3. Wykonanie.

1. Zestawić układ pomiarowy do elektrolizy (rys. 1.):

1. napełnić reaktor oraz strzykawki roztworem NaOH (tak aby w strzykawkach nie było pęcherzy powietrza)

2. strzykawki umieścić w otworach pokrywki w taki sposób aby po nakryciu elektrolizera ich końcówki zanurzone były w elektrolicie

3. poprzez otwory w każdej ze strzykawek włożyć elektrody do przestrzeni elektrodowych (końcówka elektrody powinna być widoczna w strzykawce)

4. elementy zestawu pomiarowego (zasilacz, amperomierz, elektrody) połączyć ze sobą szeregowo w obwód elektryczny

2. Rozpocząć pomiar: włączyć amperomierz, zasilacz oraz stoper. W odstępach 1 min. notować wartość natężenia prądu elektrolizy. W czasie trwania elektrolizy zmierzyć temperaturę roztworu elektrolitu oraz aktualne ciśnienie atmosferyczne.

3. Po wypełnieniu przestrzeni katodowej wodorem do żądanej objętości (np. 1.5 cm³) wyłączyć stoper oraz prąd.

4. Opracowanie wyników.

Pomiar nr 1.

Kolejne odczyty	Czas trwania elektrolizy t [s]	Natężenie prądu I [mA]	Wartość średnia natężenia prądu Iśr [mA]	Stała Avogadro NA [mol^-1]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14	60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840	6,9 5,4 5,8 5,7 5,6 6,8 7,5 6,8 7,6 7,8 8,0 7,7 8,2 7,6	6,96	5,927∙10^23

Pomiar nr 2.

Kolejne odczyty	Czas trwania elektrolizy t [s]	Natężenie prądu I [mA]	Wartość średnia natężenia prądu Iśr [mA]	Stała Avogadro NA [mol^-1]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16	60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960	7,0 7,7 7,8 8,1 7,9 8,5 8,9 8,2 7,5 7,8 7,3 8,6 8,1 8,4 8,9 7,6	8,02	7,884∙10^23

Pomiar nr 3.

Kolejne odczyty	Czas trwania elektrolizy t [s]	Natężenie prądu I [mA]	Wartość średnia natężenia prądu Iśr [mA]	Stała Avogadro NA [mol^-1]
1 2 3 4 5 6 7 8 9	60 120 180 240 300 360 420 480 540	8,6 7,1 9,3 8,7 9,1 9,2 10,0 8,9 7,3	8,69	4,57∙10^23

Pomiar nr 4.

Kolejne odczyty	Czas trwania elektrolizy t [s]	Natężenie prądu I [mA]	Wartość średnia natężenia prądu Iśr [mA]	Stała Avogadro NA [mol^-1]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14	60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840	9,8 8,0 7,2 6,9 6,5 7,7 7,8 7,8 8,3 7,6 7,8 8,0 8,1 7,8	7,81	6,65∙10^23

Ilość moli wydzielonego wodoru wyznaczone z równania stanu gazu doskonałego:

Ilość moli elektronów, jaka przepłynęła przez badany układ w czasie elektrolizy wynosi:

Z wykresów zależności I=f(t), dla każdego eksperymentu, wyznaczone ładunki wynoszą:

Q₁ =5,412∙10³

Q₂ =7,199∙10³

Q₃ =4,173∙10³

Q₄ =6,072∙10³

Liczba elektronów, jaka przepłynęła przez układ wynosi:

Liczba Avogadro wynosi:

¹ Twierdzenie to jest słuszne pod warunkiem, że rozpatrywane substancje gazowe traktowane są jak gaz doskonały i stosują się do praw gazu doskonałego.

---