POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA

LABORATORIUM FIZYKI

WYDZIAŁ Budownictwa i Inżynierii Środowiska

Grupa: L04

Zespół Nr: 3

Data: 26.03.2012

SPRAWOZDANIE

Prowadzący: Dr Marek Gajdek

Magdalena Kocia ……………………………………… ……………………………………… ………………………………………

……. ……. ……. …….

……. ……. ……. …….

TEMAT:

WYZNACZANIE RÓWNOWAZNIKA ELEKTROCHEMICZNEGO MIEDZI I STALEJ FARADAYA

Nr Ćwicz.:

E6

I WSTĘP TEORETYCZNY

Dysocjacja elektrolityczna jest to rozpad elektroobojętnych cząsteczek elektrolitu na jonu pod wpływem rozpuszczalnika lub działania silnego pola elektrycznego. Podczas dysocjacji cząsteczka elektrolitu rozpada się na jony dodatnie(kationy) oraz jony ujemny(aniony). Dysocjacja jonowa jest procesem równowagowym, więc stała dysocjacji nie zależy od stężenia elektrolitu. Stopień dysocjacji to stosunek liczby moli cząsteczek danego związku chemicznego, które uległy rozpadowi na jony do łącznej liczby cząsteczek tego związku, znajdującego się w roztworze, fazie gazowej lub stopie, w którym zaszło zjawisko dysocjacji elektrolitycznej. Stopień dysocjacji oznaczamy grecką literą alfa α

.

gdzie

n - jest liczbą cząsteczek zdysocjowanych na jony,

N -całkowitą liczbą cząsteczek wprowadzonych do roztworu.

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

Naszym przykładem elektrolizy i cząsteczki o wiązaniu jonowym jest cząsteczka siarczanu miedzi CuSO₄. Gdy cząsteczka ta znajdzie się w otoczeniu cząsteczek wody w roztworze elektrycznym, wówczas siła wiązania jonowego ulega osłabnięciu. Dzieje się to wskutek tego, że pole elektryczne cząsteczek dipolowych wody osłabia pole elektryczne między jonami. Siła przyciągania elektrostatycznego wynosi:

gdzie: q1 i q2 - ładunki jonów,

r - odległość między jonami,

ε 0 - bezwzględna przenikalność elektryczna próżni,

ε - względna przenikalność elektryczna wody równa około 80

Przewodzenie prądu przez elektrolity związane jest więc z transportem masy.

Jony docierając do elektrod w trakcie procesu elektrolizy, ulegają zobojętnieniu i wydzielają się na nich, bądź też reagują z materiałem elektrody lub z rozpuszczalnikiem.

W trakcie elektrolizy zachodzą następujące reakcje:

na anodzie wytwarza się nowa drobina Cu- SO₄ w wyniku wtórnej reakcji obojętnej cząsteczki SO₄ z miedzią:

SO ₄+ Cu → CuSO₄

i stężenie roztworu nie zmienia się. Natomiast zmniejsza się masa anody. O tyle samo zwiększa się masa katody.

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

I prawo: Masa substancji m, która uległa przemianie na elektrodzie podczas przepływu prądu przez elektrolit jest wprost proporcjonalna do ładunku elektrycznego Q jaki przepłynął w tym czasie:
,

gdzie: I - natężenie prądu, k - współczynnik proporcjonalności, t - czas przepływu prądu. Współczynnik k jest zależny od rodzaju wydzielającej się substancji, natomiast niezależny od stężenia roztworu, od kształtu i wzajemnej odległości elektrod oraz od temperatury roztworu. Nosi on nazwę równoważnika elektrochemicznego substancji. Liczbowo jest równy masie substancji wydzielonej przez prąd o natężeniu 1 A w czasie 1 s. Równoważnik elektrochemiczny można również interpretować na gruncie rozważań molekularnych. Wzrost masy elektrody, związany z wydzieleniem się na niej n jonów wynosi:
,

gdzie: N_A -liczba Avogadra, M - masa jonu.

Przeniesiony wraz z jonami ładunek Q:
gdzie: e - ładunek elementarny, w - wartościowość jonu.

Z powyższych równań wynika:

Stosunek R masy gramocząsteczki substancji M do jej wartościowości w nazywamy

gramorównoważnikiem chemicznym substancji:

II prawo: Stosunek mas różnych substancji ulegających przemianom chemicznym na elektrodach podczas przepływu jednakowych ładunków elektrycznych jest równy stosunkowi

ich równoważników chemicznych:

Z praw elektrolizy wynika, że do wydzielenia 1 gramorównoważnika dowolnej substancji potrzeba takiego samego ładunku. Ładunek ten nosi nazwę stałej Faradaya i wynosi

F=96500C.

Literatura

1. H. Szydłowski, Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa 1989

2. Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, część III, PWN, Warszawa 1964

3. T. Dryński, Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, PWN 1975

II. Tabela pomiarów i obliczenia :

Czas t [s]	Natężenie I [A]
0	1,180
180	1,200
360	1,210
540	1,220
720	1,224
900	1,216
1080	1,178
1260	1,160
1440	1,120
1620	1,056
1800	1,082

Natężenie średnie Iśr [A]	Masa początkowa m1 [g]	Masa końcowa m2 [g]	Różnica mas m2-m1 [g]
1,17	65,85	66,65	0,8

Obliczam k - równoważnik elektrochemiczny miedzi

Wykorzystując I prawo Faradaya przekształcamy wzór m = kIt do postaci k =

Szacuję błąd tak obliczonej wartości k metodą różniczki zupełnej

Pomiar masy katody dokonano wagą elektroniczną i przyjęto niepewność dokładności wagi

m =0,04 [g]

Pomiar natężenia prądu I dokonano za pomocą amperomierza gdzie wartość jednej działki wynosi 0,01 A

I =
+ 1 działka gdzie k - klasa = 0,5 , z - zakres = 1500[mA]

Pomiaru czasu wykonano stoperem o dokładności 0,1 s i przyjęto niepewność wzorcowania jako jedną jednostkę działki elementarnej tarczy stopera

t =0,1 [s]

[

K=(3,80*10^-4
8,68*10^-5)

Obliczam F - stałą Faradaya

Stałą Faradaya obliczamy wykorzystując wzór: k =
przekształcamy F=

Równoważnik chemiczny, odczytujemy z tablic przyjmując że nie jest obarczony niepewnością pomiarową.

stąd R=

F=
=
=8,3631
10⁴

Szacuję błąd tak obliczonej wartości F metodą różniczki zupełnej

F =
=
= 1,9103

F=(8,3631*10⁴
1,9103
)

III. Wnioski

Moim zdaniem największy wpływ na otrzymany wynik ma nie samo ważenie lecz przygotowanie katody - jej czystość i jakość powierzchni. Następnie moment płukania i suszenia przed ważeniem. Duże znaczenie, zresztą jak w każdym doświadczeniu, ma precyzja wykonania i poprawność odczytania wyników pomiarów.

Przyczynami powstawania błędów, mniejszych lub większych, są wahające się natężenia prądu I, które podczas całego doświadczenia powinno być stałe.

---