Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego miedzi i stałej Faradaya na podstawie elektrolizy CuSO₄

Elektroliza - całokształt procesów zachodzących na elektrolizerze w wyniku przepływu prądu elektrycznego przez elektrolit.

Elektroliza zachodzi w układach, w których już przed przyłożeniem do elektrod napięcia występowały wolne jony, a zatem w elektrolitach. Związek chemiczny może stać się elektrolitem na skutek dysocjacji elektrolitycznej wywołanej przez rozpuszczalnik, na skutek domieszkowania jonami lub odpowiednio wysokiej temperatury.

Proces elektrolizy polega na wędrówce jonów do obojętnych chemicznie elektrod, zanurzonych w elektrolicie, po przyłożeniu do nich odpowiedniego napięcia prądu elektrycznego. W elektrolizie elektroda naładowana ujemnie jest nazywana katodą, a elektroda naładowana dodatnio anodą. Każda z elektrod przyciąga do siebie przeciwnie naładowane jony. Do katody dążą więc dodatnio naładowane kationy a do anody ujemnie naładowane aniony. Po dotarciu do elektrod jony przekazują im swój ładunek na skutek czego zamieniają się w obojętne elektrycznie związki chemiczne lub pierwiastki. Powstające w ten sposób substancje zwykle albo osadzają się na elektrodach lub wydzielają się z układu w postaci gazu. Proces elektrolizy wymaga stałego dostarczania energii elektrycznej.

Zjawisko elektrolizy zostało opisane ilościowo w dwóch prawach elektrolizy Faradaya.

I prawo Faradaya:

Podczas elektrolizy w czasie t, na elektrodach woltametru wydzielają się substancje o masach m wprost proporcjonalnych do ładunku q przeniesionego w tym czasie przez

Elektrolit:

ponieważ:

więc:

gdzie:

• k – współczynnik proporcjonalności;

• I – natężenie prądu.

Współczynnik ten jest zależny od rodzaju wydzielającej się substancji, natomiast niezależny od stężenia roztworu, od kształtu i od wzajemnej odległości elektrod oraz od temperatury roztworu. Współczynnik k nosi nazwę równoważnika elektrochemicznego danej substancji. Liczbowo jest on równy masie substancji wydzielonej w czasie 1 sekundy, podczas gdy płynie prąd o natężeniu 1 A.

II prawo Faradaya :

Na wydzielenie się 1 równoważnika gramowego dowolnego jonu potrzebny jest taki sam ładunek. Ładunek ten nazywamy stałą Faradaya F. Dla masy R jednego równoważnika gramowego wydzielonej substancji mamy:

stąd stała Faradaya:

dla miedzi R=31.8g.

Elektrolitem w niniejszym ćwiczeniu jest roztwór wodny siarczanu miedzi CuSO₄, elektrodami zaś dwie płytki miedziane. Naczynie elektrolityczne wraz z roztworem i elektrodami nazywane jest krótko woltametrem. W stosowanym woltametrze po zamknięciu obwodu przedstawionego na rysunku nastąpi wydzielenie się na katodzie miedzi z roztworu. Przy anodzie reszty kwasowej SO₄ zobojętniają się i reagują z miedzią elektrody tworząc drobinę CuSO₄. tak więc masa katody rośnie, a anody maleje.

Przebieg ćwiczenia:

Zestaw przyrządów do przeprowadzenia ćwiczenia:

- Woltametr miedziowy, zasilacz.

- Wodny roztwór siarczanu miedziowego.

- Przewody do połączeń, papier ścierny, waga, multimetr, stoper.

Woltametrem może być prostopadłościenne naczynie szklane, w którym anodą i katodą są dwie płytki miedziane. Zanurzone są one w roztworze CuSo₄.

Na dokładność pomiarów ma wpływ czystość powierzchni katody. Katodę należy oczyścić papierem ściernym, a następnie spłukać wodą i dokładnie wysuszyć za pomocą suszarki.

Masę katody wyznaczamy na wadze elektrolitycznej z dokładnością do 0,01g.

Budujemy obwód elektryczny i zanurzamy elektrody w elektrolicie. Zamykamy obwód regulując natężenie prądu tak, aby wynosiło 1A.

Natężenie prądu nie może być zbyt wielkie, gdyż wtedy osadzenie miedzi byłoby zbyt szybkie i nierównomierne, co wpłynęłoby ujemnie na dokładność pomiaru. Podczas eksperymentu staramy się o utrzymanie stałego natężenia prądu, regulując go (w miarę potrzeb)

Elektrolizę przeprowadzajmy około t=25 minut. Jest to okres zapewniający wydzielanie się dostatecznej masy miedzi. Po zakończeniu eksperymentu ostrożnie płuczemy katodę zimną wodą, suszymy i znowu ważymy z taką samą dokładnością.

		Jednostki
Masa katody przed doświadczeniem	Mk1	[g]	52,43
Masa katody po doświadczeniu	Mk2	[g]	52,93
Masa wydzielonej miedzi Cu	MK	[g]	0,5
Natężenie prądu	I	[A]	1
Czas	t	[s]	1500
Równoważnik elektrochemiczny miedzi	k	[kg/A*s]	3,33*10^-7
Gramorównoważnik dla miedzi	R	[g]	31,8
Masa anody przed doświadczeniem	MA1	[g]	29,50
Masa anody po doświadczeniu	MA2	[g]	29,03
Ubytek masy anody	MA	[g]	0,47

Obliczyć:

- Masę wydzielonej na katodzie miedzi: M_k=M_k2-M_k1

- Ubytek masy na anodzie: M_A=M_A1-M_A2

- Równoważnik elektrochemiczny: k=M_k/It

- Stałą Faradaya: F=R/k (stała Faradaya (według tablic) wynosi: 9,65.10⁴ c /mol)

Wnioski:

Błąd procentowy (względny) jest niewielki, a wynik w przybliżeniu zgodny z tablicami wynika z tego, że doświadczenie zostało wykonane prawidłowo, a przyrządy są dość dokładne. Większą dokładność można otrzymać poprzez dokładniejsze oczyszczenie woltametru. Dzięki temu ćwiczeniu doświadczalnie nauczyliśmy się wyznaczać współczynnik elektrochemiczny i stałą Faradaya. Uzyskane wyniki mogliśmy porównać z teorią.