WFIiS	Imię i Nazwisko : Agata Jasiurkowska Kinga Poskard	Rok: II	Grupa: II	Zespół: VIII	Nr Ćwiczenia: 35
Pracownia Fizyczna	Temat : Elektroliza

I Cel ćwiczenia:

Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego miedzi oraz stałej Faradaya w doświadczeniu z elektroliza wodnego roztworu
. Zapoznanie się ze sposobem precyzyjnego pomiaru masy na wadze analitycznej.

II Wstęp teoretyczny:

Charakterystyczną grupę przewodników prądu stanowią elektrolity - są to przeważnie wodne roztwory kwasów, zasad i soli, czyli substancji krystalicznych o wiązaniu jonowym. Przy rozpuszczaniu kryształu wiązania między jonami zostają zerwane i większa część atomów przechodzi do roztworu w postaci jonów, poruszających się bezładnie w roztworze.

• dysocjacja elektrolityczna - rozpad na jony przy rozpuszczaniu,

• elektrolit - otrzymany roztwór.

Zjawisko dysocjacji zachodzi np. w wodzie, alkoholu. Ze względu na bardzo dużą stałą dielektryczną wody (
) stopień dysocjacji elektrolitycznej w roztworach wodnych jest znacznie większy.

Elektroliza - polega na wędrówce jonów do obojętnych chemicznie elektrod, zanurzonych w elektrolicie, po przyłożeniu do nich źródła prądu stałego o różnicy potencjałów V. Elektroda naładowana: ujemnie - katoda, dodatnio - anoda. Każda z elektrod przyciąga do siebie przeciwnie naładowane jony. Do katody dążą dodatnio naładowane kationy a do anody ujemnie naładowane aniony, oznacz to, że przez elektrolit płynie prąd. Po dotarciu do elektrod jony zostają zobojętnione i stają się zwykłymi atomami lub zgrupowaniami atomów (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.

Aby naładowany elektrycznie jon mógł zmienić się na elektrodzie na obojętny atom , musi przepłynąć ładunek równy
, gdzie e jest ładunkiem elementarnym elektronu , natomiast e wartościowością jonu:

n = 1 dla jonów typu Na⁺ , Cl ^- , H⁺

n = 2 dla jonów typu Cu²⁺ , SO₄^2- , Ca²⁺ itd.

Liczba wydzielonych na elektrodzie atomów - stosunek wartości dostarczonego ładunku do ładunku pojedynczego jonu:

masa powstałych atomów - liczba atomów N pomnożona przez masę pojedynczego atomu równa stosunkowi masy gramoatomów A do liczby Avogadro N_A

Wzór ten obejmuje dwa prawa elektrolizy Faradaya.

1. Masa m substancji wydzielonej na elektrodzie jest proporcjonalna do natężenia prądu I oraz czasu jego przepływu t (lub do ładunku Q).

lub

Z powyższych wzorów możemy obliczyć współczynnik proporcjonalności k (elektrochemiczny równoważnik substancji) i wynosi on:

2. Równoważniki elektrochemiczne k pierwiastków są proporcjonalne do ich równoważników chemicznych A/n. Iloczyn eN_A wyraża ładunek potrzebny do wydzielenia jednego gramorównoważnika chemicznego substancji. Oznacza się go zwykle literą F i nazywa stałą Faradaya:

eN_A = F = 96500 C

wartość ładunku elementarnego - stałą Faradaya podzielona przez liczbę Avogadro.

III Przedstawienie aparatury:

Elektrolizę siarczanu miedzi
przeprowadzamy w naczyniu z miedzianymi

elektrodami (katodą i dwoma anodami) w kształcie równoległych płyt, oddalonymi od siebie o kilka centymetrów (rys. 1). Natężenie przepływającego prądu ustawiamy na 0,55 A (amperomierz klasy: 0,5 i używany zakres: 0,75 A) . Pomiaru mas elektrod, wymagającego dużej precyzji, dokonujemy na wadze analitycznej (niepewność pomiaru na wadze: 0,001 g).

Czas elektrolizy (wynoszący 30 minut) mierzymy stoperem (my w naszych obliczeniach uwzględniamy niepewność pomiaru związaną z czasem, który zajęło ustawienie za pomocą opornicy suwakowej zadanej wartości natężenia prądu).

Rys. 1. Obwód elektryczny do przeprowadzania elektrolizy siarczanu miedzi.

IV Przedstawienie wyników:

Elektrody (katodę i dwie anody) oczyściłyśmy papierem ściernym, wypłukałyśmy,

osuszyłyśmy suszarką i osobno zważyłyśmy na wadze analitycznej. Następnie połączyłyśmy obwód elektryczny zgodnie ze schematem na rysunku 1. Włączyłyśmy prąd i uruchomiłyśmy stoper. Elektrolizę przeprowadziłyśmy przy stałym natężeniu prądu (0,55 A). Elektrolizę przerwałyśmy po czasie około 30 minut, a następnie wyjęłyśmy, przemyłyśmy i osuszyłyśmy elektrody i znowu zważyłyśmy je na wadze analitycznej.

Tabela 1: Wyniki pomiaru masy katody i anod.

m1 [ g ] katoda (przed elektrolizą)	m2 [ g ] anody (przed elektrolizą)	M1 [ g ] katoda (po elektrolizie)	M2 [ g ] anody (po elektrolizie)
128,617	176,521	128,949	176,188

Klasa amperomierza: 0,5;

Używany zakres amperomierza: 0,75 [A];

Czas elektrolizy: 30 [min]=1800[s];

Natężenie prądu: 0,55[A].

V Opracowanie wyników:

Oznaczenia:

k - równoważnik elektrochemiczny miedzi,

m- masa miedzi wydzielona podczas elektrolizy,

- zmiana masy anody podczas elektrolizy,

- zmiana masy katody podczas elektrolizy,

- średnia zmiana masy anody i katody,

- masa katody przed elektrolizą,

- masa katody po elektrolizie,

- masa anody przed elektrolizą,

- masa anody po elektrolizie,

I- natężenie prądu,

t- czas trwanie elektrolizy,

F- stała Faradaya,

-masa molowa miedzi,

w- wartościowość jonów miedzi,

e- ładunek elementarny,

- liczba Avogadro.

Obliczamy masę m miedzi wydzielonej podczas elektrolizy na katodzie:

Obliczamy zmianę masy
anody i
katody podczas elektrolizy:

Obliczamy średnią zmianę masy
:

Korzystając z I prawa elektrolizy obliczamy wartość współczynnika elektrochemicznego miedzi:

Korzystając z otrzymanej wartości współczynnika k obliczamy stałą Faradaya F:

Posługując się wyznaczoną doświadczalnie stałą Faradaya obliczmy wielkość ładunku elementarnego:

Obliczenia niepewności pomiarowej:

Wartość niepewności pomiaru masy katody (na wielkość tej nie pewności może mieć wpływ przemywanie elektrod, zanieczyszczenie elektrolitu i niedokładne wysuszenie elektrod). Biorąc pod uwagę te czynniki masę osadzonej podczas elektrolizy miedzi podaję z dokładnością do dwóch miejsc znaczących:

m=0,33[g]

Niepewność pomiaru masy dla katody ( i anody) przyjmuję jako:

Niepewność pomiaru natężenia prądu:

Niepewność pomiaru czasu (związana m.in. z czasem, który zajęło ustawienie za pomocą opornicy suwakowej zadanej wartości natężenia prądu):

u(t)=70[s]

Niepewność wartości ładunku elektrycznego, który przepłynął przez elektrolit:

Niepewność otrzymanego doświadczalnie równoważnika elektrochemicznego miedzi:

Niepewność wyznaczenia stałej Faradaya:

Niepewność wyznaczenia ładunku elementarnego:

Uzyskane wyniki zestawione w tabeli:

	wartość tablicowa	wartość wyznaczona w eksperymencie	różnica	niepewność	niepewność względna [%]
	0,3294	0,3359	0,0065	0,0132	3,93
	96500		1858	3730	3,94
					3,95

VI Wnioski:

Wyniki pomiarów masy pokazują, że na katodzie wydzieliło się o 0,001g miedzi mniej niż wynosi ubytek na obydwu anodach. Jest to wielkość równa granicy niepewności. Wnioskujemy, że można na podstawie tych wyników sformułować prawo zachowania masy (zmiana masy anod = zmiana masy katody) .

Niepewność pomiaru równoważnika elektrochemicznego miedzi wynosi: u(k)=
i mieści się pięć razy w różnicy między wartością tablicową, a wartością wyznaczoną w eksperymencie(k=5), co jest prawdopodobnie związane z czasem, który zajęło ustawienie za pomocą opornicy suwakowej zadanej wartości natężenia prądu

( u(t)=70[s]). Różnica między wartością stałej Faradaya przez nas wyznaczoną, a wartością tablicową wynosi: 1858 [C] i mieści się w granicach niepewności wynoszącej:
. Różnica między wartością ładunku elementarnego przez nas wyznaczoną, a wartością tablicową wynosi:
i mieści się w granicach niepewności wynoszącej:
.

Z powyższego wynika, że wielkości te zostały wyznaczone dość dokładnie, ponieważ różnice między wartościami tablicowymi, a wyznaczonymi przez nas są niewielkie tzn. mieszczą się w granicach błędu.

Niepewności pomiarowe mogą być spowodowane przede wszystkim niedokładnością pomiaru czasu, a także niedokładnym osuszeniem elektrod, płukaniem (które mogło spowodować ubytek masy miedzi osadzonej na katodzie) lub też nie utrzymywaniem się cały czas stałego natężenia prądu (było ono kilkakrotnie kontrolowane i korygowane przez nas podczas trwania eksperymentu).

---