Politechnika Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:
BIOPALIWA
KOD: EKS1A400034
Studia stacjonarne I stopnia
Zajęcia nr 1
Temat ćwiczenia:
Metody elektrochemiczne w badaniu biopaliw i produktów
ich spalania
Ćwiczenie 1.2.
Konduktometryczne oznaczanie zawartości gazu cieplarnianego (dwu-
tlenku węgla) w powietrzu. Pobieranie próbki gazowej metodą aspiracyj-
ną do oznaczania dwutlenku węgla.
Opracowanie: dr inż. Marian Kucharski
Od kilkunastu lat trwają działania nad zmniejszeniem emisji gazów cieplarnianych, a
szczególnie dwutlenku węgla do atmosfery. W tej sytuacji systematycznie kontroluje się stę-
żenie dwutlenku węgla w powietrzu. Jedną z metod stosowana do badanie zawartości tego
gazu w powietrzu jest konduktometria.
1. Wprowadzenie
Konduktometria jest metodą analityczną polegającą na pomiarze przewodności elektrycznej
(konduktancji) roztworu między dwiema identycznymi elektrodami obojętnymi (nie reagujący-
mi ze składnikami roztworu), do których jest przykładany prąd zmienny o częstotliwości nie
przekraczajÄ…cej 10 kHz.
Jedną z cech elektrolitów jest ich zdolność do przewodzenia prądu. Jeżeli do roztworu
elektrolitu o stałej temperaturze zanurzy się dwie elektrody obojętne chemicznie (np. platy-
nowe) i przyłoży do nich napięcie, to przez roztwór między elektrodami będzie płynął prąd.
Aby zapobiec zachodzeniu reakcji elektrodowych, wywołanych przepływem prądu stałego
przez roztwór elektrolitu, pomiary konduktometryczne są prowadzone w warunkach prądu
zmiennego. Wartość natężenia tego prądu jest związana z liczbą (stężeniem) i ruchliwością
wolnych kationów i anionów obecnych w roztworze, które decydują o wartości przewodności
elektrycznej danego roztworu. Schemat konduktometrycznego układu pomiarowego przed-
stawiono na rys. 1.
Rys. 1. Schemat układu pomiarowego
stosowanego w konduktometrii: A  po-
wierzchnia elektrod w cm2
Zgodnie z I prawem Ohma, traktując warstwę elektrolitu znajdującą się między
elektrodami jako przewodnik, natężenie płynącego prądu będzie wprost proporcjonalne do
przyłożonego napięcia U i odwrotnie proporcjonalne do rezystancji (oporu elektrycznego) R
przewodnika. W przypadku badania elektrolitów mierzy się zazwyczaj nie rezystancję a prze-
wodność elektryczną (w przypadku roztworów jest to przewodność elektrolityczna) nazywaną
też kondunktancją elektryczną (w przypadku roztworów jest to konduktancja elektrolityczna).
Przewodność roztworów elektrolitów (przewodność elektrolityczną) oznacza się jako G i de-
finiuje jako odwrotność rezystancji:
2
1
G =
R
JednostkÄ… przewodnoÅ›ci elektrolitów jest simens, (1 S = 1 Wð-ð1 )
W praktyce stosuje siÄ™ mniejsze jednostki: milisimensy ( mS ) i mikrosimensy (mðS).
1 S = 1 Wð-ð1 = 1· 103 mS = 1 · 106 mðS
Według II prawa Ohma rezystancja (opór) przewodnika zależy od jego długości l,
R
przekroju s i rodzaju materiału, z którego wykonano przewodnik:
l
R =ð rð ,
s
gdzie:
rð jest tzw. rezystancjÄ… wÅ‚aÅ›ciwÄ… (oporem wÅ‚aÅ›ciwym), charakteryzujÄ…cym dany materiaÅ‚.
Jest to opór, jaki stawia prÄ…dowi przewodnik dÅ‚ugoÅ›ci l =ð1cm i o przekroju s =ð 1cm2.
Po przekształceniu rezystancja właściwa wynosi:
s
rð =ð R .
l
Odwrotność rezystancji wÅ‚aÅ›ciwej 1/ rð nazywa siÄ™ przewodnoÅ›ciÄ… wÅ‚aÅ›ciwÄ… (także kon-
duktywnoÅ›ciÄ… elektrolitycznÄ…) i oznacza symbolem kð :
1 1 l
-1
kð =ð =ð ×ð [© cm-ð1 =ð S×ð cm-ð1] .
rð R s
Jest to przewodność elektrolitu zawartego miÄ™dzy elektrodami o powierzchni s =ð 1cm2 i od-
ległości od siebie o 1 cm.
Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono zależność przewodności właściwej od stężenia
dla wybranych elektrolitów, przy czym na rys. 2 uwzględniono duże stężenia (mol/dm3, a
na rys. 3 małe (mg/dm3).
3
mS·cm-1
c [mol/dm3]
Rys. 2 Zależność przewodności właściwej od stężenia (duże wartości stężenia) różnych elektrolitów.
W przypadku dużych stężeÅ„ poczÄ…tkowo przewodność wÅ‚aÅ›ciwa kð roÅ›nie wraz ze wzro-
stem stężenia, gdyż wzrasta liczba jonów będących nośnikiem ładunku. Po osiągnięciu
maksimum, wraz ze wzrostem stężenia przewodność właściwa maleje, gdyż w przypadku
dużych stężeń występują silne oddziaływania elektrostatyczne, które utrudniają wędrówkę
jonów (zmniejszają ich ruchliwość). Z kolei dla małych stężeń (rys. 3) zależność ta jest
jednoznacznie prostoliniowa.
Rys. 3 Zależność przewodności właściwej rozcieńczonych wodnych roztworów elektrolitów w tempera-
turze 20 °C
4
Istotny wpływ na wartość przewodności właściwej ma temperatura. Wzrost temperatury wywołuje
wzrost przewodności, gdyż obniża się lepkość roztworu i wzmaga ruchliwość jonów. Wpływ tempera-
tury na przewodność właściwą określa zależność empiryczna:
kðt =ð kðt [1 +ð a(t2 -ð t1) ],
2 1
w której:
kðt ,kðt  przewodność wÅ‚aÅ›ciwa w temperaturze t1 i t2 ,
1 2
a  współczynnik temperaturowy, który dla soli i zasad wynosi
0,020 ÷ 0,025, dla kwasów 0,010 ÷ 0,016.
Jako przykład tych zależności przedstawiono na rys. 4. wpływ temperatury na przewodność właściwą dla
rozcieńczonych roztworów chlorku sodu.
Rys. 4. Wpływ temperatury na przewodność właściwą rozcieńczonych roztworów chlorku sodu
Ćwiczenie K  2
Pobieranie próbki gazowej metodą aspiracyjną do oznaczania dwutlenku węgla.
Ilościowe oznaczanie zawartości gazu cieplarnianego (dwutlenku węgla) w powietrzu.
1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z jednym ze sposobów poboru próbki gazowej oraz zapo-
znanie się z metodą konduktometryczną oznaczania dwutlenku węgla.
Pobór selektywny próbki i oznaczanie dwutlenku węgla oparte jest na reakcji:
Ba2+ð + 2OH- +ð CO2 ®ðÅ»ð BaCO3 +ð H2O
W wyniku reakcji dwutlenku węgla z wodorotlenkiem baru następuje zmniejszenie stężenia jonów
(Ba2+ i OH-) w roztworze, co powoduje spadek przewodności elektrolitycznej roztworu. Spadek prze-
wodności jest proporcjonalny do ilości pochłoniętego CO2. Na podstawie spadku przewodności roz-
tworu wodorotlenku baru, przed pochłonięciem i po pochłonięciu CO , oblicza się zawartość dwu-
2
tlenku w przepuszczonym powietrzu, a następnie procentową zawartość tego gazu w badanym powietrzu.
2. Metodyka badań
2.1. Odczynniki i aparatura
1. Wodorotlenek baru świeżo sporządzony, o stężeniu około 0, 01 mol/dm3. Dokładne stężenie określa
się z krzywej wzorcowej po zmierzeniu przewodności.
2. Konduktometr.
3. Zestaw płuczek, aspirator.
4. Zlewki, cylinder miarowy.
2.2. Wykonanie ćwiczenia
1. Napełnić cztery płuczki o pojemności 250 cm3 przygotowanym roztworem Ba(OH)2 (objętość
130-150 cm3, dokładnie objętość podaje prowadzący ćwiczenia). Połączyć płuczki szeregowo z
aspiratorem.
2. Zmierzyć przewodność wyjściowego roztworu Ba(OH) i oczytać z krzywej wzorcowej stężenie cp.
2
3. Przepuścić przez płuczki 15-25 dm3 powietrza z szybkością 60-120 dm3/h (szybkość przepływu i
czas podaje prowadzący ćwiczenia).
6
4. Po wyłączeniu aspiratora przelać roztwory z płuczek do przygotowanych zlewek (po około 100
cm3, resztę od razu do zlewek) i zmierzyć przewodność roztworu Ba(OH) w każdej płuczce, Gk.
2
5. Z krzywej wzorcowej G =ð f (cBa(OH) ) odczytać stężenie Ba(OH) w każdej pÅ‚uczce, ck
2
2
6. Wyniki przedstawić w tabeli.
Przewodność G roz-
tworu wyjściowego Ba(OH)2
[mS]
Stężenie roztworu wyjściowego
Ba(OH)2
[mol/dm3]
Szybkość przepływu powietrza
[dm3/h]
Czas przepływu powietrza
[h]
PÅ‚uczka 1 PÅ‚uczka 2 PÅ‚uczka 3 PÅ‚uczka 4
Objętość Ba(OH)2
[cm3]
Przewodnictwo G
[mS]
Stężenie Ba(OH)2
[mol/dm3]
3. Opracowanie wyników (sprawozdanie)
3.1. Na podstawie zmiany stężenia Ba(OH) w każdej płuczce obliczyć ilość pochłoniętego dwutlenku
2
węgla. Z równania reakcji chemicznej wodorotlenku baru z dwutlenkiem węgla widać, że liczba moli
pochłoniętego CO2 jest równa ubytkowi moli Ba(OH) w roztworze. Prowadzi to więc do następują-
2
cych zależności:
nCO 2 =ð (cpBa(OH) -ð ckBa(OH) ) · VBa(OH )2 ,
2 2
=ð n1CO +ð ...+ð n4CO
åðnCO2 2
2
gdzie:
nCO - liczba moli pochłoniętego CO2 przez jedną płuczkę;
2
cpBa(OH )2 , ckBa(OH) - stężenie początkowe i końcowe Ba(OH)2 w danej płuczce (mol/dm3).
2
VBa(OH )2 - objętość roztworu w płuczce (dm3).
7
3.2. Objętość pochłoniętego dwutlenku węgla przez 4 płuczki będzie wynosić:
VCO =ð 22,4· · k , [dm3/mol · mol =
åðnCO2
2
gdzie:
k = 2 (zakładamy 50 %-ową wydajność pochłaniania dwutlenku węgla przez zestaw 4 płuczek),
22,4 dm3/mol  objętość mola gazu w warunkach normalnych
3.3. Obliczyć procentową zawartość dwutlenku węgla w badanym powietrzu, przy założeniu, że wa-
runki wykonywania badań były zbliżone do warunków normalnych (nie trzeba przeliczać objętości).
Procentowa zawartość dwutlenku węgla:
% CO2 = VCO · 100 % : Vpow.
2
Gdzie:
Vpow.  objętość przepuszczonego powietrza
3.2. Analiza wyników badań z zastosowaniem pakietu STUDENT
Korzystając z arkusza kalkulacyjnego MS Excel, wczytać plik Konduktometria.xls. (katalog
C:\STUDENT). W oknie dialogowym (rys. 5) wybrać przycisk K-2 Oznaczanie zawartości dwutlenku
węgla w powietrzu.
Rys. 5. Okno dialogowe arkusza Konduktometria.xls. K 2 Oznacza-
nie zawartości ditlenku węgla w powietrzu
8
Arkusz kalkulacyjny wyświetla okno dialogowe (rys. 6), w które należy wprowadzić następu-
jÄ…ce dane:
żð krzywa kalibracyjna  parametry a (nachylenie) oraz b (odciÄ™ta) równania prostej ustalonej na pod-
stawie wyników pomiarów zależnoÅ›ci kð =ð f(ðCBa(OH) 2 )ð dla stosowanej sondy konduktometrycznej,
żð objÄ™tość roztworów w pÅ‚uczkach  VBa(OH) 2 [cm3] (standardowo 150 cm3),
żð współczynnik k  wydajność  pochÅ‚aniania dwutlenku wÄ™gla (standardowo zakÅ‚ada siÄ™ 50%-owÄ…
wydajność, czyli k = 0,5),
żð parametry pompy  przepÅ‚yw Vp [dm3/h] oraz czas przepuszczania powietrza t [min],
żð pomiary przewodnoÅ›ci elektrolitycznej roztworu wyjÅ›ciowego (przed przepuszczeniem powietrza)
G0 , oraz roztworów w pÅ‚uczkach G1-ð4 (po przepuszczeniu powietrza) [mS].
Rys. 6. Konduktometria.xls K 2. Wprowadzanie danych doświadczalnych.
Rys. 7. Konduktometria.xls K 2. Wyniki obliczeń.
9
Po wybraniu przycisku Przelicz, na podstawie krzywej kalibracyjnej i wprowadzonych wartości
przewodności, dla zadanej objętości roztworów w płuczkach, obliczane są parametry roztworu przed i
po przepuszczeniu powietrza: stężenie , liczba milimoli Ba(OH) liczba milimoli  pochło-
C1-ð4 n1-ð4,
2
óð
niÄ™tego ditlenku wÄ™gla w poszczególnych pÅ‚uczkach n1-ð4 oraz sumaryczna liczba milimoli
i
åðCO 2
odpowiadająca jej objętość. Na podstawie parametrów pracy aspiratora ustalana jest objętość prze-
puszczonego powietrza oraz, przy uwzględnieniu współczynnika k, procentowa zawartość dwutlenku
węgla [%Vol  procent objętościowy].
Wszystkie dane pomiarowe oraz wyniki obliczeń służą do sporządzenia raportu, którego podgląd
oraz możliwy wydruk następuje po wybraniu przycisku Drukuj.
4. Utylizacja odpadów
Roztwory po wykonaniu ćwiczenia wylewamy do odpowiednich pojemników, zgodnie z polece-
niem prowadzącego ćwiczenia.
5. Przepisy BHP
1. Każdy student jest zobowiązany mieć własny fartuch laboratoryjny.
2. W czasie wykonywania ćwiczenia na stole może znajdować się tylko niezbędny sprzęt labora-
toryjny, instrukcja (skrypt) oraz zeszyt laboratoryjny.
3. Pracować należy ostrożnie i uważnie, nie prowadzić głośnych, rozpraszających uwagę roz-
mów.
4. Należy ściśle stosować się do instrukcji i zarządzeń osoby prowadzącej ćwiczenia, dotyczą-
cych sposobu wykonywania ćwiczeń. Nie wolno wykonywać eksperymentów i prac nie wcho-
dzących w zakres ćwiczeń, gdyż mogą one zagrażać bezpieczeństwu.
5. Starannie przestrzegać używania właściwych odczynników. Dokładne odczytanie etykiety na
słoiku lub butelce zmniejsza możliwość pomyłki.
6. Wszystkie roztwory należy pipetować przy użyciu specjalnej nasadki (pompki do pipet).
7. O każdym wypadku, nawet pozornie błahym, jaki zaszedł w pracowni należy natychmiast za-
wiadomić osobę prowadzącą ćwiczenia.
8. Poza teren laboratorium nie wolno wynosić żadnych chemikaliów, roztworów i substancji
9. Przed opuszczeniem pracowni należy umyć ręce.
6. Przepisy porzÄ…dkowe
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 prze-
pisów 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.
10
2. W pomieszczeniach laboratoryjnych zabronione jest spożywanie posiłków
3. Studenci odrabiający ćwiczenia obowiązani są do noszenia fartucha lub płaszcza ochronnego.
4. Pracować należy tylko na wyznaczonym miejscu, posługując się chemikaliami i sprzętem la-
boratoryjnym do niego przydzielonym. Wszystkie braki w odczynnikach i szkle należy zgła-
szać pracownikowi inżynieryjno-technicznemu, który natychmiast je uzupełni.
5. Stół laboratoryjny powinien być zawsze czysty i suchy. Rozlane przypadkowo chemikalia na-
leży 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.
7. Zauważone uszkodzenie przyrządu lub zestawu aparaturowego należy zgłosić do prowadzą-
cego ćwiczenia.
8. Do mycia naczyń należy używać przygotowane detergenty, wodę wodociągową, a do płukania
już czystych - małej objętości wody destylowanej. Po pobraniu wody destylowanej z butli z tu-
busem konieczne jest sprawdzenie, czy ściskacz w gumowej rurce odpływowej jest dobrze za-
ciśnięty.
Literatura
1. Chemia analityczna, Praca zbiorowa pod redakcjÄ… R. Kocjana, Warszaw, PZWL, 2003
2. Eksperymentalna chemia fizyczna, Praca zbiorowa pod redakcją E. Więckowskiej-Bryłka, Wy-
dawnictwo SGGW, Warszawa, 2007.
3. Jarosz M., Malinowska E.: Pracownia chemiczna. Analiza instrumentalna, WSiP, Warszawa 1999.
4. Kealey D., Haines P.J.: Chemia analityczna. Krótkie wykłady, PWN, Warszawa 2006
5. Kucharski M., Metody instrumentalne w kontroli zanieczyszczeń. Wybrane zagadnienia i ćwiczenia
laboratoryjne. Wydawnictwo PB, Białystok 2013.
11