Piotr Wiśniewski 18.X.2002

Ćwiczenie nr 25

Temat: Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego miedzi.

1. Tabela wyników:

Schemat podłączenia układu do ćwiczenia:

Masa katody woltametru przed eksperymentem:

Natężenie I mierzony w określonych odstępach czasu (co dwie minuty):

Lp.	Czas [s]	Natężenie [A]
0	0	2
1	120	2,1
2	240	2,2
3	360	2,25
4	480	2,3
5	600	2,35
6	720	2,35
7	840	2,35
8	960	2,35
9	1080	2,35
10	1200	2,3

Masa katody po eksperymencie:

2. Teoria zjawiska:

Elektrolity stanowią charakterystyczną grupę przewodników prądu elektrycznego. Otrzymujemy je w wyniku rozpuszczenia w wodzie lub innym rozpuszczalniku o dużej stałej dielektrycznej, substancji o wiązaniu jonowym, tzn. kwasów, zasad i soli. Procesowi rozpuszczania wymienionych substancji towarzyszy proces rozpadu cząsteczek obojętnych elektrycznie na jony, zwany dysocjacją elektrolityczną. Wyjaśnienie tego procesu jest następujące. Cząsteczka o wiązaniu jonowym składa się z dwu członów naelektryzowanych: jeden ładunkiem dodatnim, drugi ujemnym. Człony e nazywane jonami dodatnimi (+) i jonami ujemnymi (-) związane są w jedną całość siłami wzajemnego przyciągania elektrostatycznego. Siła ta, zgodnie z prawem Coulomba , wyrażona jest wzorem:

gdzie: q₁,q₂ - ładunki jonów

r - odległość między jonami

Siła wyrażona tym wzorem jest siłą wiązania jonowego i działa wtedy, gdy cząsteczka znajduje się w otoczeniu cząsteczek powietrza.

Ładunek jonów w cząsteczce powstaje dzięki przekazaniu przez jeden człon cząsteczki jednego lub więcej elektronów walencyjnych członowi drugiemu. Dzięki temu jon ujemny ma nadmiar elektronów, jon dodatni - niedobór. Wielkość ładunku każdego z jonów wyrażona jest iloczynem ładunku elementarnego e i wartością jonu.

Nie wszystkie cząsteczki znajdujące się w roztworze ulegają rozpadowi na jony, lecz tylko pewien ich procent. Stosunek liczny cząsteczek zjonizowanych do ogólnej liczby cząsteczek w roztworze nazywamy stopniem dysocjacji:

gdzie: n - liczba cząsteczek zdysocjowanych

N - ogólna liczba cząsteczek rozpuszczonych

Wartość stopnia dysocjacji zależy od wielu czynników: temperatury, stężenia roztworu, rodzaju ciału rozpuszczonego, a przede wszystkim - od natury rozpuszczalnika. Wysoki stopień dysocjacji występuje zwykle w takich rozpuszczalnikach, które odznaczają się dużą wartością stałej dielektrycznej.

Jony, tak jak i cząsteczki poruszają się. Może się zdarzyć, że anion - jon ujemny - i kation - jon dodatni - zbliżają się do siebie tak bardzo, że wskutek oddziaływań elektrostatycznych przyciągną się wzajemnie i połączą; utworzą w ten sposób znów cząsteczkę obojętną. Zjawisko to nazywamy rekombinacją; jest ono zjawiskiem odwrotnym do procesu dysocjacji. Wskutek równoczesnego występowania obu wymienionych działań, w elektrolicie wytwarza się stan tzw. równowagi dynamicznej; cechuje go stały stopień dysocjacji; w stanie tym liczba jonów, które ulegną rekombinacji jest stale wyrównywana nowymi jonami, powstałymi w wyniku dysocjacji.

Z chwilą przyłożenia napięcia do elektrod zanurzonych w roztworze (elektrody łączymy z biegunami źródła stałego napięcia) powstaje między nimi pole elektryczne. Pod jego wpływem jony o ładunku ujemnym (aniony) poruszają się ku anodzie, jony o ładunku dodatnim (kationy) - ku katodzie. Szybkość ich ruchu zależy od natury jonów, lepkości otaczającego ośrodka i od natężenia pola. Im większe natężenie tym większa jest prędkość jonów. Osiągnąwszy elektrody, jony osiadają na nich i neutralizują się : aniony oddają anodzie swoje nadwyżkowe elektrony, te zaś przechodzą do obwodu zewnętrznego i wędrują ku katodzie; na katodzie kationy przyłączają brakujące im elektrony.

Ilość substancji wydzielających się w czasie elektrolizy na elektrodach określona jest prawami, które w drodze eksperymentalnej zostały ustalone przez Faradaya.

I prawo Faradaya.

Masa substancji wydzielonej na każdej z elektrod jest proporcjonalna do wartości ładunku przeniesionego przez elektrolit (1):

gdzie: k - równoważnik elektrochemiczny równy liczbowo masie substancji wydzielonej przez prąd o natężeniu 1A w czasie 1s. Współczynnik ten jest zależny od rodzaju wydzielającej się substancji, natomiast niezależny jest od stężenia roztworu, od kształtu i od wzajemnej odległości elektrod oraz od temperatury roztworu.

I - natężenie prądu płynącego przez elektrolit

t - czas przepływu prądu

Q = I * t - ładunek przeniesiony przez elektrolit

II prawo Faradaya.

Masy substancji wydzielonych na dowolnej elektrodzie z dowolnego roztworu takim samym prądem i w ciągu tego samego czasu mają się do siebie tak, jak równoważniki chemiczne tych substancji.

A więc (2):

gdzie:

1. 
   masa atomowa substancji

w - wartościowość

Uwzględniając (1) i (2) można napisać(3):

lub (4):

gdzie: F - stała Faradaya.

Stosując stałą Faradaya można przepisać równanie (1) w postaci:

Z równania (4) wynika, że stała Faradaya ma wymiar ładunku elektrycznego, zaś z równania (5) wynika, że gdy I * t =F , wydzielona zostanie masa m = R, czyli masa jednego równoważnika chemicznego. Stała Faradaya jest równa ładunkowi związanemu z wydzieleniem na dowolnej elektrodzie jednego gramo - lub kilogramo - równoważnika chemicznego. Stosując konsekwentnie układ SI używać należy pojęcia kilogramorównoważnika. W tym przypadku wartość stałej Faradaya wynosi:

3. Obliczenia:

1. Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego:

Dane:

--------------------------------------------------------------------

2. Wyznaczanie stałej Faradaya:

---------------------------------------------------------------------

4. Obliczanie niepewności:

I. Niepewność dla równoważnika elektrochemicznego:

1. niepewność dla czasu t:

2. niepewność dla natężenia I :

Lp.	Czas [t]	Wartość natężenia [A]	Ei	Ei^2
1	2	2,1	0,19	0,0361
2	4	2,2	0,09	0,0081
3	6	2,25	0,04	0,0016
4	8	2,3	-0,01	0,0001
5	10	2,35	-0,06	0,0036
6	12	2,35	-0,06	0,0036
7	14	2,35	-0,06	0,0036
8	16	2,35	-0,06	0,0036
9	18	2,35	-0,06	0,0036
10	20	2,3	-0,01	0,0001
Średnia 2,29			0,0640

- niepewność typu A :

- niepewność typu B :

- niepewność dla natężenia I :

3. niepewność dla masy - m_kat i m_{kat_po} :

4. pochodna po czasie t :

5. 
   pochodna po napięciu I :

6. 
   pochodna po masie :

7. niepewność całkowita :

8. 
   niepewność rozszerzona :

9. 
   ostateczny wynik :

--------------------------------------

II. Niepewność dla stałej Faradaya:

1. 
   niepewność dla M :

2. niepewność dla k (powyżej):

3. pochodna po M :

4. pochodna po k :

5. niepewność całkowita :

6. niepewność rozszerzona :

7. ostateczny wynik :

---------------------------------------------------------

5. Wnioski:

---