(Ćwiczenie nr 3)

Liczba Avogadro.

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.

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)

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.

Opracowanie wyników:

1. Otrzymane wyniki eksperymentalne umieścić w tabelach (wzór poniżej):

Kolejne odczyty	Czas trwania elektrolizy t [s]	Natężenie prądu I [A]	Wartość średnia natężenia prądu Iśr	Stała Avogadro NA
1 2 3 . . .	60 120 180 . . .	. . . . . .

2. Na podstawie równania stanu gazu doskonałego obliczyć ilość moli wydzielonego wodoru

3. Korzystając z równania reakcji (1) obliczyć liczbę moli elektronów jaka przepłynęła przez badany układ w czasie elektrolizy:




4. Sporządzić zależność I = f(t) dla każdego eksperymentu. Wyznaczyć ładunek Q jaki przepłynął przez badany układ (graficznie, całkując pole powierzchni pod krzywą I = f(t) lub korzystając z zależności
   )

5. Obliczyć liczbę elektronów N_e jaka przepłynęła przez układ:


gdzie: e - ładunek elektronu równy 1.6 ^. 10^-19 C

6. Na podstawie otrzymanych wyników, dzieląc (5) przez (3) wyznaczyć liczbę Avogadro, N_A.

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania liczby Avogadro.

Literatura:

1. A. Bielański: „Podstawy chemii nieorganicznej”, PWN, Warszawa 1997.

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

1 cm

Amperomierz

Zasilacz

0.030 V

H₂O + NaOH

---