Nr i tytuł ćwiczenia: Ćwiczenie 9-1 Oznaczanie grubości osadzonej powłoki miedzianej i wydajności prądowej elektrolizy. (SPRAWOZDANIE POPRAWIONE)
Imię i nazwisko osoby prowadzącej ćwiczenia: dr. Marta Łobacz
Data wykonania ćwiczenia	Godz.	Nr grupy studenckiej	Zespół	Nazwiska osób wykonujących ćw.	Pkt za spr
27.04.2010 r.	14^15- 17^00	5	F	Katarzyna Kania, Anna Kot, Sylwia Kamińska.
Uwagi prowadzącego:

1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia było wykonanie powłoki miedzianej na płytce metalowej o innej barwie niż barwa metalicznej miedzi, a następnie wyznaczenie jej grubości (metodą kroplową i obliczeniową na podstawie przyrostu masy płytki) oraz określenie wydajności prądowej elektrolizy.

2. WSTĘP TEORETYCZNY

ZJAWISKO ELEKTROLIZY

Jeżeli do naczynia zawierającego roztwór elektrolitu lub stopiony elektrolit zanurzymy elektrody, które podłączymy do zewnętrznego źródła prądu stałego, to w naczyniu będzie zachodziła elektroliza. Przez elektrolizę rozumiemy wszystkie zjawiska zachodzące w elektrolizerze wywołane przepływem prądu.

Na zjawiska te składają się następujące efekty :

ukierunkowany ruch jonów w polu elektrycznym do odpowiedniej elektrody, zwany migracją

reakcje utleniania i redukcji reagentów na elektrodach.

Michał Faraday stwierdził, że elektryczność w roztworze jest przenoszona przez wędrujące elementy materii, które są obdarzone ładunkiem dodatnim lub ujemnym. Jony dążące do wysokich potencjałów niosące ładunek ujemny nazwał anionami, natomiast niosące ładunek dodatni dążące do niskich potencjałów nazwał kationami.

Procesy chemiczne, zachodzące na powierzchni elektrod, zależą od właściwości chemicznych elektrod, składników roztworu i różnicy potencjałów między elektrodami.

PRAWA ELEKTROLIZY FARADAYA

Jeżeli na elektrodzie reaguje jeden rodzaj jonów, to masa substancji (m) przekształconej na tej elektrodzie jest proporcjonalna do natężenia prądu (I) i czasu trwania elektrolizy (t).

Iloraz mas różnych substancji przekształconych na elektrodach przez jednakowe ładunki elektryczne (k) tych substancji.

Załóżmy, że na katodzie redukowane są jony metalu M^z+ w związku z tym na zredukowanie jednego kationu potrzebny jest ładunek elektryczny q= ze gdzie : z- liczba wymienianych elektronów, e- ładunek elektronu.

q= m*N_A*z*e / M

stąd: m= q*M / z*e*N_A

Iloraz M/z = R nazywamy masa równoważnikową jonów M^z+ a iloczyn N_A*e jest ładunkiem jednego mola elektronów, który nosi nazwę stałej Faradaya (F) i wynosi 96486 C/mol.

Doświadczalnie stwierdzono, że niewiele układów spełnia równania Faradaya, ponieważ na elektrodzie reaguje najczęściej więcej niż jeden rodzaj jonów.

W związku z tym w elektrochemii stosuje się pojęcie wydajności prądowej (β), określonej za pomocą równania :

β = m_d / m_t

gdzie :

m_d- masa substancji wydzielonej na elektrodzie wyznaczona doświadczalnie,

m_t- masa substancji obliczona teoretycznie na podstawie wzoru Faradaya.

METODA KROPLOWA

Istnieje wiele metod określających grubość powłoki galwanicznej. Metody te dzielimy na dwie główne grupy : metody niszczące i metody nieniszczące. Metody niszczące można podzielić na następujące grupy: mechaniczne, chemiczne i elektrochemiczne. Do metod chemicznych należy m.in. metoda kroplowa, która stosuję się do badania miejscowej grubości powłoki. Polega ona na rozpuszczeniu powłoki próbki odpowiednim roztworem nanoszonym po jednej kropli na to samo odtłuszczone miejsce z każdorazowym pozostawieniem na ten sam okres (zwykle 60 sekund), po tym czasie badane miejsce wyciera się bibułą/ligniną tak, żeby nie pozostał osad. Czas pozostawienia kropli na powierzchni próbki mierzy się stoperem. Czynność tę powtarza się do momentu pojawienia się metalu podłoża. Grubość powłoki l oblicza się ze wzoru :

l = (n - 1) a

gdzie:

l - grubość powłoki [um]

n - liczba kropli roztworu zużytego do rozpuszczenia powłoki

a - stała podająca grubość powłoki rozpuszczonej prze jedną kroplę roztworu w danym czasie, w stałej temperaturze.

Błąd pomiaru metoda kroplową wynosi 15%.

3. APARATURA I MATERIAŁY

• - zasilacz prądu stałego stabilizowany

• - waga analityczna

• - 2 płytki miedziane (stanowiące anody w elektrolizerze)

• - płytka niklowa (stanowiąca katodę)

• - stoper

• - roztwór CuSO₄

• - papier ścierny drobnoziarnisty

• - aceton

• - roztwór AgNO₃ o stężeniu 0,2588 mol/dm³

• - bibuła

• - woda destylowana.

4. WYKONANIE ĆWICZENIA

a) Przygotowujemy płytkę stanowiącą katodę w procesie elektrolitycznego osadzania miedzi :

1. czyścimy płytkę niklową papierem ściernym aż do uzyskania czystej srebrzystej powierzchni.

2. płuczemy w ciepłej wodzie

3. płuczemy w zimniej wodzie

4. płuczemy w acetonie

5. suszymy na powietrzu.

2. Ważymy płytkę na wadze analitycznej.

3. Płytkę wprowadzamy do naczynia z roztworem CuSO₄ i, podobnie jak dwie miedziane anody, podłączamy do zewnętrznego źródła prądu stałego.

4. Włączamy zasilacz i rozpoczynamy miedziowanie przez 30 minut prądem o natężeniu I= 0,5A.

5. Po zakończeniu elektrolizy, wyłączamy zasilacz, odłączamy elektrody. Katodę płuczemy w wodzie destylowanej (dwukrotnie) i w acetonie.

6. Po wysuszeniu płytkę ważymy na tej samej wadze analitycznej, co przed elektrolizą.

7. Określamy wymiary powłoki galwanicznej za pomocą linijki i obliczamy jej powierzchnię, stosując wzór na pole kwadratu lub prostokątu.

8. Wyznaczamy miejscową grubość powłoki miedzianej metodą kroplową w dwóch miejscach - na środku i w jednym z naroży płytki.

5. OBLICZENIA

1) Przyrost masy płytki :

masa płytki przed eletrolizą = 6,2156 g

masa płytki po elektrolizie = 5,5451 g

przyrost masy płytki : Δm

Δm = 6,5451g - 6,2456g =0,2995g

2) Powierzchnia całkowita powłoki metalicznej na płytce :

S = (50 x 47) + (½ x 50 x 4) = 24,5 cm²

3) Średnia grubość powłoki galwanicznej na podstawie przyrostu masy płytki i powierzchni osadzonej powłoki:

l= Δm/S*d

gdzie:

l- średnia grubość płytki [cm]

Δm- przyrost masy płytki [g]

S- powierzchnia całkowita powłoki metalicznej na płytce [cm²]

d- gęstość metalu stanowiącego powłokę (dla Cu d= 8,92g/cm)

l= 0,2995g /(24,5 cm²*8,92 g/cm)= 0,00137 cm

2. Miejscową grubość powłoki wyznaczoną metodą kroplową:

l=(n-1)* α

gdzie:

l-grubość powłoki [μm]

n- liczba kropli roztworu zużytego do rozpuszczenia powłoki

α- stała podająca grubość powłoki rozpuszczonej przez jedną krople roztworu w danym czasie, w danej temperaturze. [μm]

W przypadku naszego doświadczenia temperatura wynosiła 24^oC= 297 K

Wartość stałej α dla AgNO₃ w tych warunkach wynosi- 1,20 μm

n= 10

l=(10-1)*1,20 μm =10,8 [μm]

3.Obliczamy wydajność prądową elektrolizy:

β = Δm/k*I*t

gdzie:

Δm- przyrost masy płytki [g]

k- równoważnik elektrochemiczny miedzi na podstawie wzoru Faradaya [g/C]

I- natężenie prądu [A]

t- czas elektrolizy [s]

w doświadczeniu przeprowadzanym przez nas:

t=1800s

I= 0,5A

k= M/zF

gdzie:

M- masa molowa [g/mol]

z- liczba elektronów które przepłyną w trakcie elektrolizy

F- stała Faraday'a =96486 [C/mol]

Równoważnik elektrochemiczny miedzi :

k= 63,5g/mol /2*96486 [C/mol] =0,000329 [g/C]

Wydajność prądowa elektrolizy :

β= 0,2995g /(0,000329g/C *0,5A*1800s)=1,01 (x100%)

β=101%

Wydajność prądowa elektrolizy która zaszła podczas naszego doświadczenia wynosi 101%.

6. WNIOSKI

1. Po przeprowadzeniu doświadczenia zauważamy, że zarówno na środku płytki jak i na jej brzegu potrzebna jest taka sama liczba kropli AgNO₃ aby powłoka galwaniczna uległa rozpuszczeniu.

2. Możemy również stwierdzić, że w czasie elektrolizy powłoka galwaniczna pokrywa płytkę równomiernie.

---