I
ImiÄ™ i Nazwisko:
ImiÄ™ i Nazwisko:
1. Michał Idzik
1. Michał Idzik ROK I GRUPA 1 ZESPÓA
9
WEAIiE
2. Bartosz Niemczura
2. Bartosz Niemczura
TEMAT:
TEMAT:
TEMAT:
TEMAT:
Nr ćwiczenia
Pracownia
Elektroliza
Elektroliza
Elektroliza
Elektroliza
fizyczna I i II
35
Data wykonania: Data oddania: Zwrot do Data oddania: Data OCENA
poprawy: zaliczenia:
26.03.10 09.04.10
I. Cel ćwiczenia
Celem doświadczenia jest wyznaczenie równoważnika elektrochemicznego miedzi, stałej Faradaya w
doświadczeniu z elektrolizą roztworu CuSO4 oraz wartości ładunku elementarnego. Zapoznanie się
ze sposobem precyzyjnego pomiaru masy na wadze analitycznej.
II. Wstęp teoretyczny
Jedną z grup przewodników prądu elektrycznego są elektrolity, czyli wodne roztwory kwasów,
zasad i soli. Substancje te posiadajÄ… krystalicznÄ… budowÄ™ a ich wiÄ…zania jonowe po rozpuszczeniu w
wodzie zrywają się. Wtedy część atomów przechodzi do roztworu w postaci przypadkowo
poruszających się jonów. Rozpad elektrolitu na jony pod wpływem wody nazywamy dysocjacją
elektrolitycznÄ….
Wstawiając do elektrolity elektrody i połączymy je ze z
ródłem prądu stałego, to ruch jonów
staje się uporządkowany. Elektordę połączoną z ujemnym z
ródłem prądu nazywamy katodą, natomiast
z dodatnim - anodą. Część jonów dodatnich zmierza do ujemnej katody - nazywamy je kationami,
natomiast ujemne jony - aniony - zmierzają do anody i one właśnie przewodzą prąd elektryczny. Na
elektordach jony ulegają zobojętnieniu, powodując tym samym osadzanie się substancji na elektrodach.
Podczas zobojętniania naładowanego jonu przepływa ładunek równy we, gdzie e jest ładunkiem
elementarnym, a w wartościowością ( w = +2 dla jonów miedzi). Pierwsze prawo elektrolizy Faradaya
mówi, że liczba atomów wydzielonych w ten sposób na elektrodzie jest stosunkiem ładunku
całkowitego (iloczynu prądu I i czasu t) do ładunku pojedynczego jonu:
µ
m = kQ = kIt gdzie k = i jest to tzw. elektrochemiczny równoważnik substancji.
Fw
Aby uzyskać masę obojętnych atomów wystarczy pomnożyć liczbę atomów N przez masę
pojedynczego atomu (który jest ilorazem masy gramoatomu do liczby Avogadra). Drugie prawo
prawo elektrolizy Faraday a mówi, że ten sam ładunek elektryczny przepływający przez różne elktrolity
wydziela na elektrodach równoważniki chemiczne susbtancji.
Po wykonaniu doświadczenia na katodzie wydzieli się miedz
w takiej samej ilości, jakiej ubędzie
jej z anody. Równoważnik elektrochemiczny k wyznacza się korzystając z pierwszego prawa Faradaya
Michał Idzik, Bartosz Niemczura - Elektroliza
II
znając netężenie prądu, czas jego przepływu oraz masę wydzieloną na katodzie. Stałą Faraday a
otrzymujemy korzystajÄ…c ze zwiÄ…zku:
µ m
m = It , gdzie k = .
Fw It
Dzieląc stałą Faradaya przez liczbę Avogadra otrzymujemy watość ładunku elementarnego.
Schemat wykorzystywanego obowdu elektrycznego do przeprowadzenia elektrolizy siarczanu miedzi :
Przyjmujemy następujące oznaczenia i stałe tablicowe:
k  równoważnik elektrochemiczny miedzi (0,3294 mg/C )
µ  masa molowa miedzi (63,58 g)
w  wartościowość jonów miedzi (+2)
F  staÅ‚a Faradaya F = e· NA (F = 96500 C)
e  Å‚adunek elementarny (1,60206 10-19 C)
N liczba Avogadro (6,0245 1023 (g/mol))
III. Wyniki pomiarów
Doświadczenie rozpoczęliśmy od dokładnego oczyszczenia trzech miedzianych płytek, które posłużyły
nam za dwie anody(M1  M1   ) i katodę(m1 ). Płytki zważyliśmy używając wagi analitycznej o
dkoładności 0,001g. Wyniki zamieściliśmy w tabeli. pomiarów Po przygotowaniu układu pomiarowego i
ustawieniu natężenia w obwodzie na 0,5 A przymocowaliśmy płytki do statywu i umieściliśmy je w
roztowrze CuSO4 jednocześnie włączając stoper. Po upływie 30 minut wyciągnęliśmy i osuszyliśmy
płytki. Ponownie zważyliśmy je oznaczając odpowiednio katodę - m2 , anody - M2  i M2   .
Tabela pomiarów:
m1 [g] m2 [g] M1  [g] M1   [g] M2  [g] M2   [g]
134,35 134,686 135,952 135,827 133,504 133,405
Michał Idzik, Bartosz Niemczura - Elektroliza
III
IV.Opracowanie wyników pomiarów
Porównaliśmy masy obu elektrod przed i po elektrolizie. Masę miedzi wydzielonej podczas elektrolizy
na katodzie obliczyliśmy ze wzoru (4.1): m = m2 - m1 = 336mg . Zmiana masy anod wyniosła:
(4.2) M = M1 '+ M1 ''- (M2 '+ M2 '') = 224mg .
Korzystając z I prawa elektrolizy Faradaya obliczyliśmy wartość współczynnika elektrochemicznego
m mg
miedzi (4.3): k = = 0, 3733 . Korzystając z otrzymanej wartości współczynnika k obliczyliśmy
It C
µ
stałą Faradaya (4.4): F = = 85152 C . Następnie obliczyliśmy wielkość ładunku elementarnego
kw
F
posÅ‚ugujÄ…c siÄ™ wyznaczonÄ… staÅ‚Ä… Faradaya oraz liczbÄ… Avogadro (4.5): e = = 1,41342 Å"10-19C .
NA
Następnie przystąpiliśmy do liczenia i szacowania niepewności. Biorąc pod uwagą czynniki zewnętrzne
(oczyszczenie, suszenie, przenoszenie) przyjęliśmy niepewność pomiaru masy płytek: u(m)=50mg,
u(M)=50mg. Odczytując zakres i klasę amperomierza ( z=750mA, kl=0,5) obliczyliśmy niepewność
kl Å" z
natężenia prądu elektrycznego (4.6): u(I) = = 0,0038A . Następnie wyznaczyliśmy niepewność
100
złożoną wartości ładunku elektrycznego (4.7): u(Q) = 6,8C . Niepewność pomiaru czasu
oszacowaliśmy na u(t) = 1s . Mimo, że niepewność względna pomiaru czasu wydaje się zaniedbywalnie
mała, użyliśmy ją w dalszych obliczeniach.
Korzystając z prawa przenoszenia niepewności i wykorzystując obliczone i oszacowane do tej pory
niepewności wyznaczyliśmy niepewność otrzymanego doświadczalnie równoważnika
mg
elektrochemicznego miedzi (4.8): u(k) = 0,056 .
C
µ
Niepewność staÅ‚ej Faradaya obliczyliÅ›my ze wzoru (4.9): u(F) = Å" u(k) = 12687 C . Natomiast
wk2
niepewność wyznaczenia ładunku elementarnego policzyliśmy ze wzoru (4.10):
1
u(e) = u(F) = 0,21Å"10-19C .
NA
Dla każdej z trzech powyższych wielkości wyznaczyliśmy niepewność względną korzystając ze wzoru
u(x)
(4.11): u(x)wzgl = Å"100% . Wszystkie wyniki z uwzglÄ™dnieniem ich niepewnoÅ›ci zamieÅ›ciliÅ›my w
x
tabeli.
Tabela wyników:
wartość wartość różnica niepewność niepewność
tablicowa wyznaczona w względna
eksperymencie
k [mg/C] 0,329 0,373 0,044 0,056 15,01%
Michał Idzik, Bartosz Niemczura - Elektroliza
IV
wartość wartość różnica niepewność niepewność
tablicowa wyznaczona w względna
eksperymencie
F [C] 96500 85152 11348 12687 14,90%
e [C] 14,89%
1,6Å"10-19 1,41Å"10-19 0,19Å"10-19 0,21Å"10-19
V. Wnioski
" Wyznaczone doświadczalnie wartości różnią się od wartości tablicowych, co jest konsekwencją
wielu czynników zewnętrznych wpływających na przebieg doświadczenia. Mimo to wyniki zagadzają
się z przyjętymi wartościami tablicowymi w granicach obliczonych niepewności.
" Wpływ czynników zewnętrznych był na tyle znaczący, że przyjęliśmy stosunkowo dużą
niepewność pomiaru mas i w rezultacie otrzymaliśmy wysoką wartość błędu pomiaru (niepewności
względnej).
" Można przyjąć, że masa wydzielona na katodzie jest równa ubytkowi mas na anodach w
granicach niepewności pomiaru masy. Na podstawie tych wyników można więc sformułować prawo
zachowania masy podczas procesu elektrolizy.
VI. Uwagi
Obliczenia wykonywaliśmy w kolejności wskazanej przez konspekt, dlatego najpierw wyliczyliśmy
wartości podanych wielkości, a dopiero póz
niej ich niepewności.
Obliczenia zostały wykonane przy pomocy programów komputerowych Numbers oraz Pages.
Współczynik regresji oraz wykres zostały opracowane przy zastosowaniu arkusza kalkulacyjnego
Microsoft Excel. Zgodnie z zaleceniem prowadzących, wszystkie obliczenia zostały spisane ręcznie i
umieszczone w załączniku (przykładowy odnośnik do danego obliczenia wygląda następująco: (4.3) ).
W załączniku umieszczamy również wyniki pomiarów przeprowadzonych w trakcie zajęć oraz
pisemnie opracowanie zagadnień związanych z elektrolizą Faradaya.
VII. Bibliografia
D. Halliday, R. Resnick, Fizyka, PWN, Warszawa 1996
S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, T. III, PWN, Warszawa 1980
Wikipedia - Encyklopedia powszechna, pisana i redagowana przez internautów
Michał Idzik, Bartosz Niemczura - Elektroliza