Wojskowa Akademia Techniczna

im. Jarosława Dąbrowskiego

Laboratorium Fizyki Ogólnej

Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego

Nr 23

Tytuł: Wyznaczanie elektrochemicznego równoważnika miedzi oraz stałej Faradaya

Wykonał: Michał Trzaska

Grupa: E04D8

1. WSTĘP TEORETYCZNY

Elektrolity to substancje , w których występują wiązania jonowe. Są to roztwory soli, kwasów i zasad w wodzie lub innych rozpuszczalnikach, stopione sole oraz wodorotlenki metali alkalicznych.

Dysocjacja to proces rozerwania wiązania jonowego i utworzenie swobodnych elektronów. Swobodne jony zdolne są do przewodzenia prądu. Nośnikami prądu w elektrolitach są jony o dużej masie.

Jony możemy podzielić na dodatnie (kationy) np. H⁺ oraz ujemne (aniony) np.jony reszt kwasowych (S
).

Przykład procesu dysocjacji:

NaCl

Procesem odwrotnym do dysocjacji jest rekombinacja.

Stosunek
liczby cząsteczek zdysocjowanych N_D do ogólnej liczby cząstek rozpuszczonych wynosi:

i nazywany jest stopniem dysocjacji.

Dla mocnych elektrolitów 0,8<
<1

Dla średnich elektrolitów
=0,5

Dla słabych elektrolitów
<0,01

Gdy zanurzymy w roztworze dwie elektrody połączone ze sobą źródłem napięcia, na jony działają siły elektrostatyczne. Kationy zmierzają więc do KATODY (elektrody o potencjale ujemnym) a aniony do ANODY (elektrody o potencjale dodatnim). W elektrolicie płynie prąd. Za kierunek prądu przyjmujemy ruch kationów.

Elektroliza to całość zjawisk zachodzących przy przepływie prądy elektrycznego przez elektrolity.

W wyniku elektrolizy siarczanu miedzi:

• gdy elektrody są węglowe lub platynowe na katodzie wydziela się miedź metaliczna, a na anodzie - tlen

• gdy elektrody są miedziane na katodzie wydziela się miedź metaliczna, a na anodzie - nowa drobina
  

Prawa Faradaya określają ilość substancji wydzielających się w czasie elektrolizy na elektrodach.

I prawo Faradaya:

M=kQ lub m=kIt ,

Gdzie:

I - natężenie prądu;

T - czas

K - równoważnik elektromechaniczny

Wielkość wydzielanej masy na elektrodach jest wprost proporcjonalna do ładunku Q, który przepłynął przez elektrolit.

Jeżeli :

-ładunek jonu

-liczba wydzielonych jonów

- masa pojedynczego jonu

to:

m=
oraz

z czego wynika, że:

m=

i wówczas:

K=

Wielkość masy pojedynczego jonu można obliczyć wiedząc, że liczba Avoogadra jonów waży tyle gramów, ile wynosi ciężar atomowy (bądź cząsteczkowy) jonu:

gdzie: M - masa molowa jonu

Stwierdzamy więc, że jony o wartościowości równej w (w=1,2,3,...) posiadają ładunek elektryczny dodatni lub ujemny, równy co do wielkości ładunkowi w elektronów, tzn.:

( jest to sens II prawa Faradaya)

Na podstawie powyższych zależności zapisujemy:

- gramorównoważnik

-stała Faradaya

I i II prawo Faradaya

więc:

W ćwiczeniu wyznaczam równoważnik elektrochemiczny miedzi i stałą Faradaya, przeprowadzając elektrolizę wodnego roztworu
.

Mierząc natężenie prądu i czas trwania elektrolizy, a następnie określając ilość wydzielonej miedzi (poprzez zważenie elektrody przed i po wykonaniu doświadczenia), można po podstawieniu tych wartości do odpowiednich wzorów (znajdujących się powyżej) uzyskać szukane wartości liczbowe dla równoważnika elektrochemicznego miedzi oraz stałej Faradaya .

Do przeprowadzenia elektrolizy wykorzystujemy układ elektryczny składający się z elektrolizera, amperomierza prądu stałego, klucza do zamykania i przerywania prądu , źródła prądu stałego (zasilacza) oraz rezystora suwakowego do regulacji natężenia prądu w obwodzie.

Elektrolizer to prostopadłościenne naczynie szklane, w którym elektrodami są płaskie blachy miedziane. Obie elektrody zanurzone są w roztworze
.

II. WYNIKI POMIARÓW I OBLICZEŃ

Waga elektrody przed elektrolizą m₁ = 82,1 g

Waga elektrody po elektrolizie m₂ = 82,3 g

Czas t = 30 minut

Δm=0,1 g

ΔI = 0,01 [A]

I1 [A]	I2 [A]	I3 [A]	I4 [A]	I5 [A]	I6 [A]	I7 [A]	ΔI [A]
0,195	0,196	0,199	0,198	0,198	0,199	0,200	0,197

1. Obliczam ilość substancji wydzielonej na elektrodzie podczas elektrolizy:

m= m₂-m₁

m₁ = 82,1 g

m₂ = 82,3 g

m =82,3 g -82,1 g

m = 0,2g

2. Obliczam ładunek Q, który przepłynął przez elektrolit:

Q=It

I=0,197A

t=30 minut =30 60s = 1800 s

Q =0,197 1800= 356 C

3. Obliczam współczynnik k (równoważnik elektromechaniczny)

m=kQ

4. 
   Obliczam stałą Faradaya:

5. Obliczam błąd m, I, t:

m=m₁+m₂ czyli m=0,01+0,01=0,02g;

I=0,1A;

t=1s;

6. 
   Obliczam graniczny błąd względny i bezwzględny równoważnika elektromechaniczny:

- błąd względny

- błąd bezwzględny

7. Obliczam graniczny błąd względny i bezwzględny stałej Faradaya F:

- błąd względny

- błąd bezwzględny

III. WNIOSKI

W danym ćwiczeniu laboratoryjnym mieliśmy za zadanie wyznaczyć wielkości

• równoważnika elektromechanicznego miedzi

• stałej Faradaya.

Powyższe wielkości otrzymaliśmy za pomocą I i II prawa Faradaya, oraz masy wydzielonej na elektrodach, natężenia prądu i czasu trwania elektrolizy.

W roztworze wodnym siarczanu miedzi (CuSO₄) na skutek dysocjacji rozpada się na dwa jony : dodatni Cu⁺⁺ i jony ujemne reszty kwasowej SO₄^--. Pod wpływem pola elektrycznego , które wytwarza się pomiędzy katodą i anodą, kationy Cu⁺⁺ wędrują do katody i osadzają się na niej, aniony SO₄^-- odpowiednio do anody.

Błędy pomiarowe nie wpłynęły znacząco na wynik:

• równoważnika elektromechanicznego miedzi , a wartość

tablicowa jest równa 0,329 . Błąd względny jest równy aż 70% równoważnika

elektromechanicznego.

• 
  stałej Faradaya , a wartość tablicowa jest równa 96484 [C/gramorównoważnik]. Błąd względny jest równy blisko 41% stałej Faradaya.

Po wykonaniu ćwiczenia możemy stwierdzić, że popełnione błędy, które są błędami spowodowanymi niedoskonałością aparatury, jak również niedokładnością odczytu spowodowały bardzo duże odstępstwa od stałych tablicowych.

---