Ćwiczenie 11

Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego
wodoru i miedzi

1. Wprowadzenie

Substancje o wiązaniu jonowym (niektóre kwasy, zasady i sole) rozpuszczane w cieczy o dużej stałej dielektrycznej (np. w wodzie, o ε_r = 81) ulegają rozpadowi na jony, czyli dysocjacji elektrolitycznej. Roztwory takie nazywamy elektrolitami.

Rozpad cząstek obojętnych na jony pod wpływem wody następuje w wyniku osłabienia kulombowskich sił wiązania, danych wzorem :

. (1)

W elektrolitach równolegle do dysocjacji przebiega proces rekombinacji jonów. W wyniku tych procesów ustala się równowaga dynamiczna pomiędzy liczbą cząstek rozpadających się i powstających. W roztworze istnieje zatem pewien stopień dysocjacji α , określony jako stosunek liczby cząstek zdysocjowanych n, do ogólnej liczby cząstek n₀ zawartych w jednostce objętości :

. (2)

Przykładami dysocjacji elektrolitycznej może być dysocjacja cząsteczek

kwasu siarkowego:

H₂O

H₂ SO₄ 2H⁺ + SO₄^{- -} ,

siarczanu miedzi :

H₂O

Cu SO₄ Cu⁺⁺ + SO₄ ^{- -} _. (3)

Przewodnictwo elektryczne elektrolitów polega na ruchu jonów dodatnich

(kationów) ku elektrodzie ujemnej (katodzie), a jonów ujemnych (anionów) ku elektrodzie dodatniej (anodzie). Ładunki jonów po dojściu do anody i katody ulegają zobojętnieniu i na elektrodach wydzielają się pierwiastki w czystej chemicznie postaci, bądź wchodzą w reakcje z atomami elektrod lub innymi atomami otoczenia. 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:

m = k⋅ Q = k⋅ I⋅ τ , (4)

gdzie: k to równoważnik elektrochemiczny, Q - ładunek elektryczny (Q = I τ ),

I - natężenie prądu, τ - czas elektrolizy. Równoważnik elektrochemiczny k jest równy liczbowo masie substancji wydzielonej przy przepływie przez elektrolit ładunku 1 C.

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

, (5)

gdzie: R = A/z to równoważnik chemiczny substancji, A - masa atomowa

substancji , z - wartościowość jonów .

Z równań (4) i (5) wynika , że stosunek równoważnika chemicznego do elektrochemicznego jest wielkością stałą:

, (6)

gdzie: F = 96500 C jest stałą Faraday'a .

Przepływ takiego ładunku przez elektrolit powoduje wydzielenie 1 równoważnika chemicznego substancji.

Stałą Faraday'a można również zapisać jako iloczyn ładunku jonu (q_j = z⋅e) i liczby Avogadra N_A :

Rys.1. Schemat układu pomiarowego z

woltametrem

F = z⋅ e⋅ N_A . (7)

2. Metoda pomiaru

2.1. Wyznaczania równoważnika

elektrochemicznego wodoru

Do tego celu często używamy woltametru wodnego. Są to trzy szklane naczynia połączone ze sobą (rys.1). 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.

Woltametr zasilany jest z zasilacza prądu stałego (12 V) poprzez regulowany opornik R, służący do ustalania stałej wartości prądu (0,2÷1,0 A). Woltametr wypełniony jest 10% roztworem kwasu siarkowego (H₂SO₄). Podczas elektrolizy na elektrodzie dodatniej wydziela się tlen, a na ujemnej wodór. Możemy jednak wyznaczyć tylko równoważnik elektrochemiczny wodoru, ponieważ tlen w znacznym stopniu rozpuszcza się w roztworze.

Wyszukiwarka