Data wykonania ćwiczenia:
11.03.2015r.
Ćwiczenie 1
Otrzymywanie proszków metali nieżelaznych: Cu i Ag, w wyniku elektrolizy z roztworów wodnych.
Zespół:
Głowa Edyta
Jarosław Kasprzyk
Robert Janica
Sebastian Grygierzec
1.Wstęp teoretyczny
Otrzymywanie proszków miedzi metodą elektrolizy
W procesie tym jako elektrolit używany jest kwaśny roztwór siarczanu miedzi. Katoda wykonana jest w miedzi. Dobór anody pozwala wyróżnić dwa sposoby przeprowadzania procesu:
Z zastosowaniem anody nierozpuszczalnej
Z zastosowaniem anody rozpuszczalnej
Otrzymywanie proszków miedzi metodą elektrolizy z zastosowaniem anody nierozpuszczalnej
Anoda w tym procesie wykonana jest np. z ołowiu, grafitu, stali kwasoodpornych lub aluminium. W trakcie procesu anoda nie zmienia swojej masy. Źródłem jonów miedzi jest elektrolit. Po podłączeniu prądu kationy miedzi wędrują w okolice katody, gdzie następuje ich zobojętnienie, co prowadzi do osadzenia się proszku miedzi na katodzie. W tym samym czasie w okolicach anody następuje wydzielanie pęcherzyków tlenu, pochodzących z procesu utleniania wody.
Reakcje:
A(+) H2O = 2H+ + 0,5 O2 + 2e
K(-) Cu2+ + 2e = Cu
Sumaryczna reakcja chemiczna w elektrolizerze:
Cu2+ + H2O = 2H+ + 0,5 O2 + Cu
W oparciu o reakcję anodową można stwierdzić, że podczas przebiegu procesu zmienia się skład chemiczny elektrolitu.
Otrzymywanie proszków miedzi metodą elektrolizy z zastosowaniem anody rozpuszczalnej
Anoda w tym procesie wykonana jest z miedzi, jest ona jednocześnie źródłem jonów. Po podłączeniu prądu (napięcie 3V) następuje roztwarzanie anody w elektrolicie. Powstałe kationy miedzi przechodzą w okolice katody, gdzie następuje redukcja i sadzanie się proszku miedzi na elektrodzie.
Reakcje:
A(+) Cu= Cu2+ + 2e
K(-) Cu2+ + 2e = Cu
Sumarycznie:
CuA = CuK
Otrzymywanie proszków srebra metodą elektrolizy (proces z rozpuszczalnymi anodami – elektrorafinacja)
Anoda w tym procesie wykonana jest ze srebra, jest ona równocześnie źródłem jonów. Po podłączeniu prądu (napięcie 1 do 1,3V) następuje roztwarzanie anody w elektrolicie. Elektrolit stanowi azotan srebra. Powstałe kationy srebra przechodzą w okolice katody, gdzie następuje redukcja i sadzanie się proszku srebra na elektrodzie.
Reakcje:
A(+) Ag= Ag+ + e
K(-) Ag+ + e = Ag
Sumarycznie:
AgA = AgK
Rys.1. Schemat elektrolizera
2. Obliczenia
Obliczenia teoretycznej masy miedzi, która powinna wydzielić się na katodzie.
m = kIt
$$k = \frac{M}{\text{zF}}$$
gdzie:
m – masa teoretyczna [g]
k – równoważnik elektrochemiczny
I – natężenie prądu [A]
t – czas [s]
M – masa atomowa
z – ilość wymienianych elektronów podczas elementarnej reakcji elektrodowej
F – stała Faraday’a
Podczas ćwiczenia przeprowadzaliśmy elektrolizę siarczanu miedzi początkowo przez 10min z natężeniem prądu 1,3A, następnie przez 1min z natężeniem 3,04A.
$$k = \frac{63,5}{2 \bullet 96500} = 0,00033$$
m1 = 0, 00033 • 1, 3 • 600 = 0, 2574[g]
m2 = 0, 00033 • 3, 04 • 60 = 0, 0602[g]
mt = m1 + m2
mt = 0, 2574 + 0, 0602 = 0, 3176[g] − teoretyczna masa uzyskanej miedzi
Obliczenia masy miedzi, która wydzieliła się na katodzie.
Przed płukaniem osadu katodowego zważyliśmy sączek wraz ze szkiełkiem zegarkowym (38,31g). Po przepłukaniu i wysuszeniu osadu przez 10 min w temperaturze 96°C zważyliśmy go na wadze analitycznej (38,546g).
Masa uzyskanego proszku miedzi
mu = 38, 546 − 38, 31 = 0, 236[g] − masa uzyskanej miedzi
Obliczenia wydajności procesu elektrolizy.
$$\eta = \ \frac{m_{u}}{m_{t}}\ \bullet 100\%$$
$$\eta = \ \frac{0,236}{0,3176}\ \bullet 100\% = 74,31\% - wydajnosc\ procesu\ elektrolizy$$