Wydział: FTiMK	Imie i Nazwisko: Marcin Wiśniowski	Nr. Zepołu 8	Ocena Ostateczna
Grupa: Trzecia	Tytół ćwiczenia: Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego wodoru i miedzi	Nr. Cwiczenia 11	Data Wykonania: 07.12.2001

1. Wprowadzenie

Substancje o wiązaniu jonowym lub cząstki polarne kwasów, zasad i soli rozpuszczane w cieczy o dużej względnej przenikalności elektrycznej ulegają rozpadowi na jony, czyli dysocjacji elektrolitycznej. Roztwory takie nazywamy elektrolitami.

W elektrolitach, równolegle do dysocjacji, przebiega proces rekombinacji jonów. W związku z tym ustala się równowaga dynamiczna pomiędzy liczbą cząsteczek rozpadających się i powstających. Przez stopień dysocjacji α określa się stosunek liczby moli cząsteczek zdysocjowanych n, do ogólnej liczby moli cząsteczek n₀ zawartych w roztworze:

Przykłady dysocjacji elektrolitycznej:

Przewodnictwo elektryczne elektrolitów polega na ruchu jonów dodatnich (kationów) w kierunku elektrody ujemnej (katody), a jonów ujemnych (anionów) w kierunku elektrody dodatniej (anody). Ładunki jonów po dojściu do anody i katody ulegają zobojętnieniu i na elektrodach wydzielają się pierwiastki w czystej chemicznej postaci, bądź wchodzą w reakcje. Przewodnictwo elektryczne elektrolitów rośnie ze wzrostem temperatury (przeciwnie niż w metalach), ponieważ rośnie stopień dysocjacji i ruchliwości jonów. Przepływ prądu przez elektrolity i towarzyszące mu reakcje chemiczne określa się mianem elektrolizy.

Wspomniane już wydzielanie się substancji chemicznych na elektrodach podlega prawom Faraday'a, Pierwsze z nich mówi, że masa substancji wydzielonej na każdej z elektrod jest proporcjonalna do wartości ładunku przeniesionego przez elektrolit:

,

gdzie k to równoważnik elektrochemiczny, Q - ładunek elektryczny, I - natężenie prądu, τ - czas elektrolizy. Równoważnik elektrolityczny k jest równy liczbowo masie substancji wydzielonej przy przepływie przez elektrolit ładunku 1 C.

Drugie prawo elektrolizy Faraday'a podaje, że masy substancji wydzielonej na różnych elektrodach przy przepływie tego samego ładunku, są proporcjonalne do odpowiednich gramorównoważników chemicznych tych substancji:

gdzie R=M/z to gramorównoważnik chemiczny substancji, M - masa atomowa (molowa) substancji, z - wartościowość jonów. Z powyższych równań wynika, że stosunek gramorównoważnika chemicznego do elektrochemicznego jest wielkością stałą:

gdzie F jest stałą Faraday'a. Przepływ takiego ładunku przez elektrolit powoduje wydzielenie 1 gramorównoważnika chemicznego substancji. Można obliczyć, że stała Faraday'a jest równa iloczynowi ładunku elementarnego e i liczby Avogadra N_A :

2. Metoda pomiaru

Do tego celu często używamy aparatu Hofmanna. Są to trzy szklane naczynia połączone ze sobą. W dwóch biuretach, zaopatrzonych w szczelne korki, zbierają się gazo­we produkty elektrolizy. Platynowe płytki, zamocowane w gumowych korkach zamykających od dołu biurety, służą jako elektrody. Środkowa rurka, zakończona otwartą bańką, służy do zbierania wypieranej cieczy i daje możliwość pomiaru ciśnienia hydrostatycznego wywieranego przez elektrolit na gazy.

Aparat zasilany jest z zasilacza prądu stałego (12 V) poprzez regu­lowany opornik R, służący do ustala­nia stałej wartości prądu (0,2 - 1,0 A).

Aparat wypełniony jest 10% roztworem kwasu siarkowego (H₂SO₄). Podczas elektrolizy na elektrodzie dodatniej wydziela się tlen, a na ujemnej wodór. Możemy jednak wyznaczyć równoważnik elektrochemiczny wodoru, ponieważ tlen w znacznym stopniu rozpuszcza się w roztworze.

3. Tabele pomiarowe i obliczenia.

Lp.	I [A]	τ [s]	V [cm^3]	h1 [m]	h2 [m]	h [m]	p1 [hPa]	k [kg/C]	F [C⋅mol^-1]	e [C]
1	0,36	480	26	0,245	0,522	0,277	998		86523,6
2	0,33	600	26	0,234	0,523	0,289	998		99115
3	0,38	672,6	34,5	0,169	0,514	0,345	998		96302,7

klasa amperomierza: - 0,5 skala - (0-75)
= 0,005 [A]
0,0005[m]

Temperatura:
0,5 °C t₁ = 28 °C
0,1[s]

• Równoważnik elektrochemiczny k wyzanaczamy z pierwszego prawa Faraday`a:

,

Masę wodoru obliczamy z zależności:

[kg]

gdzie
jest gęstością wodoru w warunkach doświadczenia.

Z równania stanu gazu:

,

po przekształceniach dostajemy wyrażenie na gęstość wodoru:

,

zatem

Ciśnienie p obliczamy jako sumę ciśnienia atmosferycznego p₁ , ciśnienia hydrostatycznego
pomniejszoną o ciśnienie nasyconej pary wodnej w birucie (p₃). Gęstość roztworu
i ciśnienie pary wodnej p₃ odczytujemy z tablic dla danej temperatury:

Ostatecznie wzór na równoważnik elektrochemiczny k przyjmuje postać:

.

p₃ = 37,66 [hPa]
[hPa]
[K]

• Obliczanie równoważnika elektrochemicznego pierwszego pomiaru:

Obliczamy stałą Faraday`a (przyjmujemy że:

) dla pierwszego pomiaru:

[C
]

Obliczanie ładunku jonu wodorwego e (
dla pomiaru pierwszego:

[C]

Ostatecznie dla pomiaru pierwszego równoważnik elektrochemiczny k wodoru wynosi:

k =

.

• Obliczanie równoważnika elektrochemicznego drugiego pomiaru:

Obliczamy stałą Faraday`a (przyjmujemy że:

) dla drugiego pomiaru:

[C
]

Obliczanie ładunku jonu wodorwego e (
dla pomiaru drugiego:

[C]

• Obliczanie równoważnika elektrochemicznego trzeciego pomiaru:

Obliczamy stałą Faraday`a (przyjmujemy że:

) dla trzeciego pomiaru:

[C
]

Obliczanie ładunku jonu wodorowego e (
dla pomiaru trzeciego:

[C]

4. Niepewności pomiarowe

Obliczanie niepewności pomiarowych dla drugiego pomiaru:

0,0010067

niepewność amperomierza:
= 0,0225

= 0,0010067+0,0151515+0,0192307+0,0033206+0,0001666 = 0,055138

Ostatecznie dla pomiaru drugiego równoważnik elektrochemiczny k wodoru wynosi:

=

.

Obliczanie niepewności pomiarowych dla trzeciego pomiaru:

= 0,0010066+0,0131578+0,0144927+0,0178571+0,0001486 = 0,0481074

Ostatecznie dla pomiaru trzeciego równoważnik elektrochemiczny k wodoru wynosi:

k =

.

Tablicowe:

k =

.

5. Wnioski

Wyznaczony równoważnik elektrochemiczny wodoru jest zbliżony do wyniku tablicowego. Wartość tablicowa zawiera się w przedziale błędu pomiarowego.

6

---