1ET-DI Rzeszów, 15.01.2011

Andrzej Deryło

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 23

Temat: Badanie praw elektrolizy Faradaya.

Zagadnienia do samodzielnego opracowania:

Mechanizm przepływu prądu przez elektrolity. Przepływ prądu jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. W elektrolitach nośnikami ładunków elektrycznych są jony. Dodanie do wody destylowanej (która nie jest przewodnikiem) soli, kwasu lub zasady spowoduje dobre przewodzenie prądu na skutek oddziaływania z wodą i uporządkowanego ruchu jonów w polu elektrycznym. Taki proces nazywa się dysocjacją elektrolityczną, a roztwór w którym zachodzi to zjawisko-elektrolitem. Powstają w ten sposób jony dodatnie – kationy i jony ujemne – aniony. Wytworzenie w elektrolicie pola elektrycznego powoduje ruch jonów dodatnich do w kierunku elektrody ujemnej – katody i jonów dodatnich do elektrody dodatniej – anody. Zjawisko towarzyszące przepływowi w elektrolicie nazywamy elektrolizą. Mechanizm ten można prześledzić na podstawie wodnego roztworu CuSo₄:

CuSO₄ → Cu²⁺ + S0₄²⁻

Jony Cu²⁺ poruszają się w polu elektrycznym do katody gdzie ulegają zobojętnieniu i jako obojętne atomu Cu osiadają na niej. Podobnie jony S0₄²⁻ łącząc się z wodą i oddając 2 elektrony anodzie powodują wydzielanie się tlenu:

$$S0_{4}^{2 -} + H_{2}O \rightarrow H_{2}SO_{4} + \frac{1}{2}O_{2}$$

Powstający kwas siarkowy również rozpada się wg schematu:

H₂SO₄ → 2H⁺ + S0₄²⁻

Na katodzie wydziela się wodór a jony S0₄²⁻ reagują z elektrodą miedzianą dają CuSO₄ który przechodzi do roztworu. Proces dysocjacji elektrolitycznej następuje w elektrolicie samorzutnie, przed przyłożeniem pola elektrycznego.

Prawa Faradaya:

1: Równoważnik elektrochemiczny jest równy masie substancji wydzielonej podczas przepływu przez elektrolit ładunku 1 Coulomba lub Masa substancji wydzielonej podczas elektrolizy jest proporcjonalna do ładunku który popłynął przez elektrolit.

k = mIt  lub $m = \frac{k}{\text{It}}$

Gdzie:

m- masa substancji wydzielonej

k- równoważnik elektrochemiczny

t- czas trwania procesu

2: Ładunek potrzebny do wydzielenia lub wchłonięcia masy m dany jest zależnością

$$Q = \frac{\text{Fmz}}{M}$$

Gdzie:

F-stała Faradaya

z- ładunek jonu

M- masa molowa

Metodologia wykonania ćwiczenia:

1. Łączymy obwód jak na rysunku:

1. Zamykamy obwód i ustalamy prąd o zadanej wartości (gęstość prądu nie może przekraczać 0,5 $\frac{A}{dm^{2}}$). Rozłączamy obwód.

2. Wyjmujemy katodę, czyścimy papierem ściernym, opłukujemy, ważymy na wadze analitycznje (masa m1).

3. Umieszczamy katodę w elektrolicie, włączamy prąd uruchamiając jednocześnie zegar. Utrzymujemy stałą wartość prądu przez t=40min.

4. Po upływie tego czasu przerywamy dopływ prądu. Płuczemy katode, osuszamy ważymy na wadze analitycznej. (masa m2).

5. Wartości zmierzone zapisujemy w tabeli.

Przyrządy: szklane naczynie, elektrody miedziane, zasilacz, amperomierz, miernik czasu, waga analityczna.

Obliczenia:

I [A]	m1 [g]	m2 [g]	t [s]	m [g]	k +/- u(k) [kg/c]	F +/- u(F)[C]
0,2	71,7473	71,9982	2400	0,2509	(0,523 +/- 0,004)  * 10^−6	(6,08 +/- 0,17)  * 10^7

$$k = \frac{m}{I*t} = \frac{0,2509}{0,2*2400} = 0,523*10^{- 3}\left\lbrack \frac{g}{C} \right\rbrack = 0,523*10^{- 6}\lbrack\frac{\text{kg}}{C}\rbrack$$

$$F = \frac{\mu_{\text{Cu}}}{k*w} = \frac{63,546}{2*0,523*10^{- 6}} = 6,08*10^{7}\lbrack\frac{C}{\text{mol}}\rbrack$$

Błędy pomiarowe u(m) u(I) u(t) wyznaczamy metodą typu B:

$$u\left( m \right) = \frac{1}{\sqrt{3}} = 0,57735\ g$$

$$u\left( I \right) = \frac{1}{\sqrt{3}} = 0,57735\ mA$$

$$u\left( t \right) = \frac{1}{\sqrt{3}} = 0,57735\ s$$

Błędy pomiarowe u(F) i u(k) obliczamy za pomocą niepewności złożonej:

$$u\left( k \right) = \sqrt{{(\frac{\partial k}{\partial m_{2}})}^{2}*{(u(m))}^{2} + {(\frac{\partial k}{\partial m_{1}})}^{2}*{(u(m))}^{2} + {(\frac{\partial k}{\partial I})}^{2}*{(u(I))}^{2} + {(\frac{\partial k}{\partial t})}^{2}*{(u(t))}^{2}}$$

$$u(k) = \sqrt{{(\frac{2}{I*t})}^{2}*{(u\left( m \right))}^{2} + {( - \frac{m}{I^{2}*t})}^{2}*{(u\left( I \right))}^{2} + {( - \frac{m}{I*t^{2}})}^{2}*{(u\left( t \right))}^{2}} = 0,003915$$

$$u\left( F \right) = \sqrt{{(\frac{\partial F}{\partial k})}^{2}*{(u\left( k \right))}^{2}} = \sqrt{{( - \frac{m}{w*k^{2}})}^{2}*{(u\left( k \right))}^{2}} = 0,1795$$

Wnioski:

Celem ćwiczenia było sprawdzenie praw elektrolizy Faradaya. Sprawdzanie tych praw polegało na wyznaczeniu równoważnika elektrochemicznego dla miedzi oraz stałej Faradaya. Równoważnik elektrochemiczny $k_{\text{cu}} = \left( 0,523 + / - 0,004 \right)*10^{- 6}\lbrack\frac{\text{kg}}{C}\rbrack\ $, otrzymana stała Faradaya F = (6, 08  + / −  0, 17)  * 10⁷[C]. Rzeczywiste wartości odczytane w tablicach wynoszą odpowiednio k_cu = 0, 3294 i F = 96485 . Przy zastosowaniu przyrządów lepszej klasy ( mierzących z większą dokładnością ) otrzymalibyśmy wartości bliższe rzeczywistym, może nawet równe. Możemy uznać, że sprawdziliśmy prawa Faradaya z pozytywnym wynikiem.