Ćwiczenie 19

Wyznaczanie szybkość przenikania tlenu przez granicę faz powietrze - roztwór metodą woltamperometrii z wirującą elektrodą platynową.

Wykonanie ćwiczenia:

Do niskiej zlewki na 100 cm³ odmierzyć z pipety 50 cm³ 0,1 m KCl.

Na wadze analitycznej w krokodylku odważyć z dokładnością do 0,001 g około o,1 g bezwodnego Na₂SO₃ (lub około 0,2 g Na₂SO₃ × 7 H₂O). Odważkę tę rozpuścić w kolbce stożkowej w 10 cm³ wody, odmierzonej za pomocą pipety. Kolbę zamknąć korkiem.

Połączyć elektrody (wirującą elektrodę platynową z odpowiednimi gniazdami na płycie czołowej przyrządu pomiarowego. Oba pokrętła regulacji napięcia obrócić ostrożnie w lewo do oporu. W gniazdach zasilania umieścić wtyczki bananowe przewodów dla połączenia ze źródłem napięcia stałego 2V.

Włączyć do gniazda sieciowego wtyczkę przewodu zasilającego silnik wirującej elektrody platynowej. Włącznik obrotów WEPt znajduje się na płycie, do której przymocowany jest silnik.

Podczas wszystkich operacji związanych z podnoszeniem i opuszczaniem jak również przemywaniem WEPt, elektroda powinna pozostawać nieruchoma.

Pomiary należy wykonywać ze stałą głębokością zanurzenia WEPt, zapewnioną przez urządzenie ograniczające ruch elektrody ku dołowi. Dlatego opuszczanie WEPt w położenie robocze powinno się odbywać ostrożnie, aby nie została uszkodzona elektroda i nie zostało przesunięte lub zniszczone urządzenie na pręcie statywu, zapewniające stałe zanurzenie WEPt.

Pomiary:

Włączyć obroty silnika. Rozpocząć rejestrację krzywej woltamperometrycznej dla procesu redukcji rozpuszczonego w roztworze tlenu. Zwiększając stopniowo co 0,05V napięcie przyłożone do elektrod, odczytywać odpowiadające mu każdorazowo natężenie prądu (z dokładnością, jaką umożliwia stosowany miernik natężenia prądu). Natężenie prądu wykazuje pewne wahania, odczytywać należy wartości maksymalne. Odczyty prądu prowadzić aż do osiągnięcia napięcia 1,2V.

Przyłożone do elektrod napięcie sprowadzić do 0V, dodać od 0,1 do 0,3 cm³ przygotowanego roztworu Na₂SO₃ do roztworu 0,1 m KCl w zlewce i ostrożnie zamieszać go. Zanotować czas zegarowy dodania roztworu Na₂SO₃. Po upływie 5 min. rejestrować krzywą woltamperometryczną. Notować czas zegarowy , w którym zostaje osiągnięte napięcie 0,9 V.

Dodać kolejną porcję roztworu Na₂SO₃ i postępować 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 wyłączyć silnik WEPt, podnieść WEPt ze zlewki i nad krystalizatorem przemyć ją wodą destylowaną z tryskawki. Łącznik agarowy opłukać wodą destylowaną i umieścić w przeznaczonym dla niego naczyniu.

Najpierw miniaturową wtyczkę z gniazda zasilacza napięcia stałego, następnie rozłączyć wszystkie przewody.

Zestawienie wyników:

Potencjał E [V]	Natężenie prądu i [A]
		Objętość dodanego Na2SO3 [cm^3]
		0	0,15	0,3	0,45	0,6	0,75	0,9	1,05
0,05	2	2	2	2	0	0	0	0
0,1	2	2	2	2	0	0	0	0
0,15	2	2	2	2	0	0	0	0
0,2	2	2	2	2	0	0	0	0
0,25	2	2	2	2	0	0	0	0
0,3	3	4	2	2	0	0	0	0
0,35	4	6	4	2	0	0	0	0
0,4	4	8	6	2	0	0	0	0
0,45	4	13	8	4	0	0	0	0
0,5	4	18	14	4	0	0	0	0
0,55	5	22	16	6	0	0	0	0
0,6	6	26	18	6	0	0	0	0
0,65	7	32	20	8	0	0	0	0
0,7	8	34	22	10	0	0	0	0
0,75	12	38	24	10	2	0	0	0
0,8	14	40	26	12	2	0	0	0
0,85	20	44	28	12	2	0	0	0
0,9	24	44	28	12	4	0	0	0
0,95	30	44	28	12	4	0	0	0
1	36	44	30	12	4	0	0	0
1,05	42	44	30	14	6	2	2	2
1,1	48	46	30	14	6	2	2	4
1,15	52	46	30	16	8	4	4	8
1,2	67	46	32	18	12	8	8	10
Czas		15^20	15^30	15^40	15^50	15^55	16^00	16^05

Obliczenia:

Temperatura °C	14	16	18	20	22	24	26	28	30
Cm^3 O2w1dm^3 wody	7,19	6,89	6,61	6,36	6,11	5,89	5,67	5,46	5,26

1. Liczba moli i cm³ tlenu rozpuszczonego w 50 cm³ roztworu KCL w warunkach doświadczenia:

6,36 cm³ - 1000 cm³

x - 50 cm³

x = 0,318 cm³ O₂

1 mol O₂ - 22,4 dm³

x - 0,318×10^-3 dm³ O₂

x = 1,42×10^-5 mol O₂

2. Teoretyczna liczba moli Na₂SO₃ potrzebna do związania tlenu rozpuszczonego w roztworze KCl:

0,5 mol O₂ - 1 mol Na₂SO₃

1,42×10^-5 mol O₂ - x

x = 2,84×10^-5 mol Na₂SO₃

3. Liczba moli i objętość w cm³ tlenu związanego w trakcie miareczkowania - w oparciu o punkt równoważnikowy wyznaczony z wykresu miareczkowania amperometrycznego:

V (PR) = 0,68 cm3

1 mol Na₂SO₃ - 126,06 g

x - 0,114 g

x = 9,04×10^-4 mol Na₂SO₃

9,04×10^-4 mol Na₂SO₃ - 10 cm³

x - 0,59 cm³

x = 5,33×10^-5 mol Na₂SO₃

1 mol Na₂SO₃ - 0,5 mol O₂

5,33×10^-5 mol Na₂SO₃ - x

x = 2,66×10^-5 mol O₂

1 mol O₂ - 22,4 dm³

2,66×10^-5 mol O₂ - x

x = 5,96×10^-4 dm³ O₂ = 0,596 cm³

4. Objętość tlenu, która przeszła z atmosfery do roztworu od momentu rozpoczęcia miareczkowania do osiągnięcia punktu równoważnikowego:

V = 0,596 cm³ - 0,318 cm³ = 0,278 cm³ O₂

5. Szybkość przenikania tlenu przez granicę faz:

gdzie:
- objętość tlenu

P - powierzchnia KCl w zlewce

T - czas od podania pierwszej porcji Na₂SO₃ do osiągnięcia PR

= 0,278 cm³

t = 32 min = 1920 s

P = πr²

r naczyńka = 2,18 cm

P = π×(2,18 cm)² = 14,93 cm³

Wnioski:

Proces przenikania tlenu przez granicę faz powietrze - roztwór zachodzi. Szybkość tego procesu jest jednakże bardzo mała (9,70×10^-6 cm/s). Także objętość rozpuszczonego tlenu w roztworze w czasie wykonywania doświadczenia jest niewielka (0,278 cm³).

Metoda woltamperometrii z wirującą elektrodą platynową nadaję się do oznaczania szybkości przenikania tlenu przez granicę faz powietrze - roztwór. Wirująca elektroda platynowa doskonale zastępuje kroplową elektrodę rtęciową.

---