Wydział 1. Rok: Grupa: Zespół:
2.
Pracownia Temat: Nr ćwiczenia:
fizyczna I
Data wykonania: Data oddania: Zwrot do poprawy: Data oddania: Data zaliczenia Ocena:
Cel ćwiczenia
Wyznaczenie równoważnika elektrochemicznego miedzi oraz stałej Faradaya w doświadczeniu z elektrolizą wod-
nego roztworu CuSO4. Zapoznanie siÄ™ ze sposobem precyzyjnego pomiaru masy na wadze analitycznej.
Wstęp teoretyczny
Charakterystyczną grupę przewodników prądu elektrycznego stanowią elektrolity. Są to przeważnie wodne roz-
twory kwasów, zasad i soli, czyli substancji krystalicznych wiązaniu jonowym. Przez rozpuszczaniu kryształu wiąza-
nia między jonami zostają zerwane i większa część atomów przechodzi do roztworu w postaci jonów, poru-
szajÄ…cych siÄ™ chaotycznie w roztworze. Rozpad na jony przez rozpuszczaniu nazywamy dysocjacja elektrolitycznÄ…,
a otrzymany roztwór  elektrolitem.
Gdy do roztworu elektrolit wstawimy elektrody i dołączymy je do zewnętrznego z
ródła napięcia, to ruch jonów
staje się uporządkowany. Kationy zdążają do ujemnej katody, aniony do anody, czyli przez elektrolit płynie prąd.
Na elektrodach jony zostają zobojętnione i stają się zwykłymi atomami lub zgrupowaniami atomów. Przepływowi
prądu towarzyszy więc wydzielanie się substancji na elektrodach. Proces ten nazywamy elektrolizą.
obwód elektryczny do przeprowadzania elektrolizy siarczanu miedzi
1 ©K. ToboÅ‚a 2004
Oznaczenia:
m1 masa katody przed elektrolizÄ…
m2 masa katody po elektrolizie
m=m2  m1
masa miedzi wydzielonej na katodzie
k równoważnik elektrochemiczny miedzi 0,3294 mg/C
ÂÄ… masa molowa miedzi 63,58 g
n wartościowość jonów miedzi +2
F stała Faradaya 96500 C
e Å‚adunek elementarny
1,60206 Å"10-19C
N liczba Avogadro
6,0245 Å"1023 g /mol
A
A
adunek elektryczny Q, który przepłynął przez elektrolit jest równy iloczynowi natężenia prądu I i czasu trwania
elektrolizy t:
Q=It
Pierwsze prawo elektrolizy Faradaya mówi, że masa substancji osadzonej na katodzie jest równa iloczynowi rów-
noważnika elektrochemicznego tej substancji, natężenia prądu i czasu trwania elektrolizy.
m=kIt
Drugie prawo Faradaya mówi, że ten sam ładunek elektryczny przepływający przez różne elektrolity wydziela na
elektrodach równoważniki chemiczne substancji. Tak więc 1 kulomb wydziela masę równą
ÂÄ…
[ g ] .
Fn
Oba prawa elektrolizy można zapisać wzorem
ÂÄ…
m= I t .
Fn
Stała Faradaya jest iloczynem ładunku elementarnego i liczby Avogadro
F =e N .
A
Znając wartość równoważnika elektrochemicznego miedzi można obliczyć stałą Faradaya
ÂÄ…
F= .
kn
2 ©K. ToboÅ‚a 2004
Wykonanie ćwiczenia
Zestawiono obwód jak na schemacie. Dokonano pomiaru mas elektrod przed oraz po zakończeniu elektrolizy co
pozwoliło obliczyć masę osadzonej na katodzie miedzi. Porównując ubytek masy na anodach z jej przyrostem na
katodzie sprawdzono zasadÄ™ zachowania masy.
Opracowanie wyników
masy [g] katoda anoda 1 anoda 2
przed elektrolizÄ… m1 =109,263 M =139,928 M =114,043
1 2
po elektrolizie m2 =109,565 M '1 =139,787 M '2 =113,884
różnica
­Ä… m=0,302 ­Ä… M =-0,141 ­Ä… M =-0,159
1 2
czas trwania elektrolizy t = 1800 [s] uśątźą=13 [ s] - niepewność wynikająca z czasu upływającego od
chwili uruchomienia obwodu do uzyskania żądanego stałego
prÄ…du
natężenie prÄ…du I = 0,5 [A] klasaÅ"zakres
uśą I źą=
100 3
ćą
0,5 Å"0,75 =0,0022 [ A]
uśą I źą=
173
Zasada zachowania masy
Niepewność pojedynczego pomiaru masy wynikająca z dokładności wagi:
uśąmźą=1 / 3 =0,58 [mg ]
ćą
Niepewności zmian masy:
uśą­Ä… mźą=uśą­Ä… M źą=uśą­Ä… M źą= 2 Å"u2śąmźą=0,82 [mg ]
ćą
1 2
uśą­Ä…[M ƒÄ…M ]źą= uśą­Ä… M źą2 ƒÄ…uśą­Ä… M źą2 =1,2 [mg ]
ćą
1 2 1 2
suma różnic mas wszystkich elektrod: ­Ä… M =­Ä… mƒÄ…­Ä…śąM ƒÄ…M źą
1 2
­Ä… M =2 [mg ]
#" #"
Niepewność rozszerzona:
U śą­Ä… M źą=kÅ" u2śą­Ä… mźąƒÄ…u2śą­Ä…[M ƒÄ…M ]źą=2 Å"1,5 [mg ]=3 [mg ]
ćą
1 2
#"­Ä… M#""Ä…U śą­Ä… M źą
Równoważnik elektrochemiczny
m
k =
I t
3 ©K. ToboÅ‚a 2004
2 2 2
" k " k " k
uśąk źą= uśą­Ä… mźą ƒÄ… uśą I źą ƒÄ… uśątźą 0,0030 [mg /C ]
[ ] [ ]
[ ]
"­Ä… m " I " t
ćą
Ostatecznie: k=0,3356śą0,0030źą[mg /C ]
Niepewność rozszerzona:
wartość tablicowa ktab=0,3294 [mg /C ]
U śąk źą=KÅ"uśąk źą=3 Å"0,0030 =0,0090 [mg /C ]
ktab
#"  k =0,0062 [mg /C ]"ąU śąk źą
#"
Stała Faradaya
ÂÄ… ÂÄ…
F = = k
k n 2
" F
uśąF źą= uśąk źą =840 [C ]
#" #"
" k
ostatecznie F =94738śą840źą[C ]
Niepewność rozszerzona:
wartość tablicowa Ftab=96500 [C ]
U śą F źą=KÅ"uśą F źą=3 Å"840 =2520 [C ]
Ftab
#"  F =1762 [C ]"ąU śą F źą
#"
A
adunek elementarny
1
e= Å"F
N
A
uśą F źą
uśąeźą= =0,0139 Å"10-19 [C ]
N
A
ostatecznie
e=1,5725śą0,0139źąÅ"10-19[C ]
Niepewność rozszerzona:
wartość tablicowa etab=1,6021 Å"10-19 [C ]
U śąeźą=KÅ"uśąeźą=3 Å"0,0139 Å"10-19 =0,0417 Å"10-19 [C ]
etab
#"  e =0,0296 Å"10-19 [C ]"Ä…U śąeźą
#"
Wnioski
Z pomiarów wynika, że w granicach niepewności na katodzie wydzieliło się tyle miedzi ile ubyło na anodach, co
jest zgodne z zasadą zachowania masy. Wyznaczone stałe fizyczne: ( k=0,3356śą0,0030źą[mg /C ] ,
F =94738śą840źą[C ] , ) również są zgodne z wartościami tablicowymi.
e=1,5725śą0,0139źąÅ"10-19[C ]
Świadczy to o dość dobrej dokładności opisywanej metody.
4 ©K. ToboÅ‚a 2004