Politechnika Krakowska		rok: 1998/99	nr ćwiczenia
Fizyka Techniczna	MARCIN	semestr: I	20
Grupa: C	KUK	Ocena:	Podpis:
Zespół: 8

Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego wodoru.

1. Teoria.

Prąd elektryczny, przepływając przez elektrolit, wydziela na elektrodach produkty dyspozycji elektrolitycznej.

Prawo Faraday'a: Masa jonów wydzielana na elektrodzie jest proporcjonalna do natężenia prądu oraz czasu jego przepływu.

m=kIT

k-współczynnik proporcjonalności zwany równoważnikiem elektrochemicznym.

Dyspozycja elektrolityczna - jet to zachodzący w roztworach proces rozpadu cząstek elektroliów na kationy i aniony.

Elektroliza - proces zachodzący na elektronach podczas przepływu stałego prądu elektrycznego przez elektrolit. Pod wpływem pola elektrycznego między elektrodami, kationy dążą do katody, gdzie pobierają elektrony i w postaci zredukowanej wydzielają się, natomiast aniony oddają elektrony na anodzie i wydzielają się w postaci utlenionej.

Drugie prawo Faradaya:

μ - masa molowa atomu (jonów)

ω - elektrowartościowość jonów

Ilości różnych substancji ulegające reakcji na elektrodach przy przepływie równych ilości elektryczności są proporcjonalne do ich równoważników chemicznych.

Stała Faraday'a: współczynnik, przez który należy pomnożyc liczbę równoważników chemicznych jonów, aby otrzymać ładunek przenoszony przez te jony.

Elektrolity: substancje, które po rozpuszczeniu w odpowiednim rozpuszczaliku ulegają dysocjacji elektrolitycznej i w skutek tego w stanie ciekłym lub roztworze przewodzą prąd elektryczny.

Pomiary przewodnictwa muszą być wykonywae dokładnym zachowaniem stałości temperatury, ponieważ zmiana tempertury o 1^oC zmienia przewodnictwo elektrolitów średnio o 2-2,5%..

Prawo Ohma.

R - opór przewodnika

U - napięcie

I - natężenie

Prędkości jonów są proporcjonalne do natężenia pola. Prędkości jonów przy jednostkowym natężeniu pola nazywamy ich ruchliwościami bezwzględnymi. Najruchliwszym jonem jest jon wodoru (prędkość około 0,003 cm/s).

Prawo gazów doskonałych.

Prawo Avokadra: jednakowe objętości różnych gazów, znajdujących się pod tym samym ciśnieniem i w tej samej temperaturze, zawierają jednakową liczbę cząstek . Obj. Molowa: V=22,415 l

Prawo Boyle'a: iloczyn ciśnienia i objętości jest wielkością stałą w stałj temperaturze pV=const.

Prawo Gay - Luccasa: wszystkie gazy ogrzewane pod stałym ciśnieniem rozszerzają się zgodnie z zależnością p=V_o(1+αt).

V_o - objętość danej masy gazu pod danym ciśnieniem w temperaturze równej 0^oC

α - współczynnik rozszerzalności równy 1/237,16.

2. Doświadczenie.

• Obliczenia do pomiaru pierwszego.

p_o = 1008 [hPa] = 100800 [Pa] - ciśnienie normalne.

p₁ =( 98800±50 )[Pa] = 98800 [Pa] - ciśnienie atmosferyczne.

p ₃ = 26,38 [hPa] = 2638 [Pa] - prężność nasyconej pary wodnej dla 22^oC.

ρ = 1066,9 [kg/m³] - gęstość 10% H₂SO₄

ρ_o = 0,08987 [kg/m³] - gęstość normalna wodoru.

Ciśnienie hydrostatyczne słupa roztworu

p₂ = hρg h = 0,225 [m]

p₂ = 0,225⋅1066,9⋅9,8105

p₂ = 2355,035 [Pa]

Ciśnienie suchego wodoru.

p = p₁ + p₂ - p₃

p = 98800+2355,035-2638

p = 98517,03 [Pa]

Objętość normalna V_o.

V = 0,0000165 m³

Masa wydzielanego wodoru.

m = V_oρ

m = 0,000016⋅0,08987 T_o = 273 [K]

m = 0,0000014 [kg] = 1,4 [mg] T = 295 [K]

p = 98800 [Pa]

p_o = 100800 [Pa]

ρ_o = 0,08987

ρ = 0,08987

Obliczanie równoważnika elektrochemicznego.

I = 0,25 [A]

τ = 497,1 [s]

k = 0,01126 [mg/As]

Obliczanie stałej Faraday'a:

F=R/k R=1,008⋅10^-3

F=95100[C/mol]

Obliczanie błędu pomiaru.

ρ=1066,9[kg/m³]

[Pa]

Δp=70,93[Pa]

Δρ=(2,3⋅10^-4)[kg/m³]

ΔV=0,5⋅10^-6[m]

ΔI=0,01[A] Δt=0,2[s]

Zestawienie wyników.

p =( 98517,03±70,93) [Pa] Δp/p=0,07%

m =(1,4±0,04) [mg] Δm/m=2,8%

k = (0,01126±0,0006) [mg/As] Δk/k=4,9%

F=(95100±5300)[C/mol] ΔF/F=5,2%

Obliczenia dla pomiaru drugiego.

p ₃ = 31,58 [hPa] = 3158 [Pa] - prężność nasyconej pary wodnej dla 25^oC.

Ciśnienie hydrostatyczne słupa roztworu

p₂ = hρg h = 0,23 [m]

p₂ = 0,23⋅1066,9⋅9,8105

p₂ = 2407 [Pa]

Ciśnienie suchego wodoru.

p = p₁ + p₂ - p₃

p = 98800+2407-3158

p = 98049,36 [Pa]

Objętość normalna V_o.

V = 0,000017 m³

Masa wydzielanego wodoru.

m = V_oρ

m = 0,0000164⋅0,08786 ρ = 0,08786

m = 0,0000014 [kg] = 1,4 [mg]

Obliczanie równoważnika elektrochemicznego.

I = 0,34 [A]

τ = 351,09 [s]

k = 0,011728 [mg/As]

Obliczanie stałej Faraday'a:

F=R/k R=1,008⋅10^-3

F=96300[C/mol]

Δp=71,24[Pa]

Δρ=(2,1⋅10^-4)[kg/m³]

Zestawienie wyników.

p =( 98049,36±71,24) [Pa] Δp/p=0,07%

m =(1,4±0,04) [mg] Δm/m=2,9%

k = (0,011728±0,0006) [mg/As] Δk/k=4,8%

F=(96300±6200)[C/mol] ΔF/F=6,2%

• Obliczenia dla pomiaru trzeciego

p ₃ = 33,50 [hPa] = 3350 [Pa] - prężność nasyconej pary wodnej dla 26^oC.

Ciśnienie hydrostatyczne słupa roztworu

p₂ = hρg h = 0,245 [m]

p₂ = 0,245⋅1066,9⋅9,8105

p₂ = 2564,3 [Pa]

Ciśnienie suchego wodoru.

p = p₁ + p₂ - p₃

p = 98800+2564,3-3350

p = 98014,3 [Pa]

Objętość normalna V_o.

V = 0,000018 m³

Masa wydzielanego wodoru.

m = V_oρ

m = 0,0000174⋅0,08384 ρ = 0,08384

m = 0,0000015 [kg] = 1,5 [mg]

Obliczanie równoważnika elektrochemicznego.

I = 0,42 [A]

τ = 312,4 [s]

k = 0,01143 [mg/As]

F=95900[C/mol]

Δp=70,35[Pa]

Δρ=(2,6⋅10^-4)[kg/m³]

Zestawienie wyników.

p =( 98014,3±70,35) [Pa] Δp/p=0,07%

m =(1,5±0,04) [mg] Δm/m=2,9%

k = (0,01143±0,0006) [mg/As] Δk/k=5%

F=(95900±6300)[C/mol] ΔF/F=5,1%

Wnioski:

Duży błąd procentowy wynika w znacznej mierze z braku możliwości dokładnego pomiaru czasu oraz pozostałych wielkości m.in. objętości wodoru znajdującego się w biurecie.