ĆWICZENIE 47

Temat: Wyznaczanie współczynnika chemicznego miedzi za pomocą elektrolizy

Masa elektrody przed doświadczeniem	m1	[g]	208,430
Masa elektrody po doświadczeniu	m2	[g]	208,690
Masa wydzielonej miedzi	mCu	[g]	0,260
Objętość wydzielonego wodoru	V	[cm^3]	100
Temp. wydzielonego wodoru (pokojowa)	T	[K]	296,15
Ciśnienie nasyconej pary wodnej w temp. T	pn	[kPa]	2,81
Ciśnienie atmosferyczne	pa	[kPa]	100,30
Wysokość słupa elektrolitu	h.	[mm]	44
Ciśnienie wydzielanego wodoru	pH	[kPa]	97,02
Gęstość wodoru w warunkach normalnych	dH	[kg/m^3]	0,090
Objętość wydz. wodoru w war. normalnych	VH	[cm^3]	88,34
Masa wydzielanego wodoru	mH	[g]	0,0087
Równoważnik chemiczny wodoru	RH	[g]	1,008
Równoważnik chemiczny miedzi	RCu	[g]	30,12
Wartość tablicowa równoważ. chem. Miedzi	Rtab	[g]	31,8
Błąd bezwzględny wzgl. wartości tablicowej	ΔRtab	[g]	1,68
Błąd względny wzgl. wartości tablicowej	ΔRtab/Rtab	[%]	5,2
Błąd względny z rachunku błędów	ΔRCu/RCu	[%]	9,9

Podczas elektrolizy zachodzą procesy odwrotne do przemian zachodzących w czasie pracy ogniwa (przepływ prądu wywołuje reakcje elektrodowe). Elektroliza polega na uporządkowanym ruchu jonów w polu elektrycznym wraz z przemianami zachodzącymi na elektrodach. Podczas tego procesu następują prawie zawsze zmiany stężenia w obszarach elektrolitu sąsiadujących z elektrodami. W czasie elektrolizy w polu elektrycznym między elektrodami wędrują jony dodatnie (kationy) w kierunku katody , która jest połączona z ujemnym biegunem źródła, a jony ujemne (aniony) w kierunku anody, która jest połączona z dodatnim biegunem źródła prądu stałego. Podczas elektrolizy kationy pobierają elektrony z powierzchni katody (ulegają redukcji). Jednocześnie z procesami chemicznymi na powierzchni katody zachodzą procesy chemiczne na powierzchni anody. Aniony oddają powierzchni anody elektrony (ulegają utlenieniu).

Pierwsze prawo Faradaya

Masa substancji na jednej z elektrod jest wprost proporcjonalna do ładunku elektrycznego przepuszczanego przez roztwór elektrolitu.

m = k*Q

m = k*I*t

gdzie:

m- masa substancji w gramach wydzielona na elektrodzie

k- gramorównoważnik elektrochemiczny, liczbowo równy masie substancji wydzielonej podczas przepływu prądu o natężeniu 1 ampera w czasie 1 sekundy (1C=1A*1s)

Q- ładunek

I-natężenie prądu (amper)

T- czas (sekundy)

Wykonanie ćwiczenia

Elektrolizę przeprowadzamy w naczyniu zwanym woltametrem, zawierającym elektrolity i elektrody. Do wyznaczenia równoważnika chemicznego miedzi używane są dwa woltametry połączone szeregowo- miedziowy oraz wodorotlenowy. W woltametrze miedziowym elektrody miedziane są w wodnym roztworze siarczanu miedzi CuSO₄. Aby zrealizować doświadczenie musimy oczyścić dokładnie papierem ściernym obie powierzchnie katody miedzianej następnie musimy spłukać katodę wodą i wysuszyć. Potem ważymy katodę z dokładnością do 10mg. Woltametr wodorotlenowy składa się z wanny z roztworem kwasu siarkowego i dwóch kalibrowych cylindrów, które napełniamy całkowicie roztworem kwasu siarkowego zamykamy kartką papieru odwracamy dnem do góry i wkładamy do wanny. Do cylindrów doprowadzone są dwie elektrody niklowe. Po podłączeniu włączamy zasilacz do prądu stałego i ustawiamy taką wartość napięcia aby intensywność elektrolizy była umiarkowana. Podczas elektrolizy na katodzie woltametru miedziowego osadza się miedz, a na katodzie woltametru wodorotlenowego wydzielają się jony wodoru

Obliczenia :

Obliczam masę wydzielonego wodoru

p = p_a-p_n*ρgh = 100,3 - 1*2,81*0,044 = 97,45*0,432 = 97,02

V₀ = (pVT₀)/(Tp₀)= (97,02*273,15*100)/(296,15*101,3) = 88,34

m_H = V₀*d₀ = 97,02*0,09*10^-6= 0,0087 g

równoważnik chemiczny miedzi:

R_Cu = (m_Cu/m_H)*R_H = (0,260*1,008)/0,0087 = 30,12

Rachunek błędu:

ΔV = 1 cm³=10^-6 m³

Δh = 1mm = 0,001 m

Δp = 0,01kPa = 10Pa

ΔT = 1 K

Δp = Δp_a-Δp_n*ρgΔh

Δp = 10Pa+180Pa+1000kg/m³*9,81m/s²*0,001m = 199,81Pa

Δp_n= p_{n (T+1)} - p_n(T) = 2,99 - 2,81 = 0,18kPa

ΔV₀ = V₀ (ΔV/V+Δp/p+ΔT/T) = 88,34*(1/100+199,81/97020+1/296,15) = 2,2 cm³

Δm_H0,09*2,2*10^-6

ΔR_Cu /R_Cu= Δm_Cu/m_Cu+Δ m_H/m_H= 0,099

ΔR_Cu /R_Cu=9,9%