Inżynieria Materiałowa Grupa I

2002/2003: 16 grudnia 2002

ZESPÓŁ I

ĆWICZENIE NR 18:

KULOMETRIA
I WYDAJNOŚĆ PRĄDOWA ELEKTROLIZY

Konrad Wilk

I. WSTĘP

Prawa elektrolizy Faradaya, opisywane równaniem:
, przedstawiają ilościowy związek pomiędzy masą produktów elektrolizy i czasem, przez który przepływa prąd w tym procesie.

Współczynnik proporcjonalności
(nazywany równoważnikiem elektrochemicznym) można przedstawić za pomocą równania:

Gdzie:
- ciężar równoważnikowy rozpatrywanego produktu elektrolizy,
- stała Faradaya, która wynosi około
,
.

Stosunek wydzielonej masy
do rozpatrywanego produktu elektrolizy do masy wydzielonej z prawa Faradaya
nazywamy wydajnością prądową elektrolizy
. Po uproszczeniu prawa otrzymuje my zależność:

, więc

II. CEL ĆWICZENIA

Celem naszego ćwiczenia jest w pierwszym rzędzie kulometryczne wycechowanie amperomierza, ale przede wszystkim wyznaczenie zależności wydajności prądowej katodowego osadzania cynku oraz wyznaczenie zależności zużycia energii w tym procesie od gęstości prądu.

Następnie wyliczamy katodową wydajność prądową w procesie elektrolizy siarczanu cynku
, przy czym uwzględniamy tu bilans produktów katodowych - cynk i wodór.

III. PRZYKŁADY OBLICZEŃ WYNIKÓW UMIESZCZONYCH W TABELACH

Powierzchnia katody - - została wyznaczona po uwzględnieniu miejsca, do którego zanurzona była elektroda.

1. Natężenie uzyskane za pomocą kulometru:

2. Gęstość prądu na katodzie kulometru:

3. Ilość moli wodoru wydzielona na katodzie cynkowej:

Gęstość: Przelicznik objętościowo - długościowy biurety:

4. Wydajność prądowa cynku:




5. Wydajność prądowa wodoru:




6. Zużycie energii elektrycznej:




IV. WYNIKI POMIAROWE

a) Wyniki pomiarów - kulometryczne cechowanie amperomierza:

Czas pomiaru: t [min]	Masa Cu przed [g]	Masa Cu po [g]	Przyrost masy Cu [g]	Natężenie prądu (amperomierz): I1 [A]	Natężenie prądu (kulometr): I2 [A]	Gęstość prądu (katoda): ik=I1/S [mA/cm^2]
15	19,8942	19,9648	0,0706	0,25	0,238	4,48
15	19,9648	20,1094	0,1446	0,50	0,488	8,96
15	20,1094	20,3456	0,2362	0,75	0,797	13,44
10	20,3456	20,5463	0,2007	1,00	1,016	17,92
10	20,5463	20,7972	0,2509	1,25	1,270	22,40

POTRZEBNE DANE:

Powierzchnia katody:
.

b) Wyniki pomiarów wyznaczania wydajności prądowej katodowego wydzielania cynku:

1	2	3	4	5	6	7	8
Nr pomiaru	Natężenie prądu (amperomierz): I1 [A]	Natężenie prądu (kulometr): I2 [A]	Katodowa gęstość prądu: ik [mA/cm^2]	Czas elktrolizy: t [min]	Masa katody przed: m1 [g]	Masa katody po: m2 [g]	Masa wydzielonego Zn: m'=m2-m1
1	0,25	0,238	14,43	15	9,8380	9,8946	0,0566
2	0,50	0,488	29,59	15	9,8946	10,0028	0,1082
3	0,75	0,797	48,33	15	10,0028	10,1965	0,1937
4	1,00	1,016	61,61	10	10,1965	10,3614	0,1649
5	1,25	1,270	77,02	10	10,3614	10,5742	0,2128

9	10	11	12	13	14	15	16	17
Nr pomiaru	Gęstość prądu: iZn [mA/cm^2]	Objętość wydzielonego wodoru: VH2 [ml]	Ilość moli wodoru: nH2	Wydajność prądowa: Zn [%]	Wydajność prądowa: H [%]	Wydajność prądowa sumaryczna:  [%]	Napięcie na zaciskach elektrolizera [V]	Zużycie energii na 1kg Zn [kWh/kg]
1	14,43	4,7	0,000169	77,96	7,59	85,55	2,8	2,943
2	29,59	8,2	0,000298	72,72	6,54	79,26	3,2	3,608
3	48,33	13,1	0,000480	79,68	6,46	86,14	3,4	3,497
4	61,61	12,9	0,000473	79,85	7,49	87,34	3,5	3,594
5	77,02	16,1	0,000594	82,45	7,53	89,98	3,6	3,581

POTRZEBNE DANE:

Średnica katody:
, długość katody:
, powierzchnia katody:
, temperatura roztworu:
.










V. WNIOSKI

W przeprowadzonym doświadczeniu można dopatrzyć się różnic pomiędzy wartościami natężeń odczytanymi z amperomierza a tymi, które zostały wyznaczone kulometrycznie. Różnice wynikają z powodu niedokładności odczytu z analogowego urządzenia.

Stwierdzamy również, iż wydajność prądowa procesów elektrolizy siarczanu cynku
wynosi około od 80 do około 90%. Jest to spowodowane stratami prądowymi na zaciskach obwodu oraz warunkami pomiarów, jednakże otrzymany wynik na ogólnym tle innych procesów tego typu można uważać za dobry.

Dane, które posłużyły następnie do sporządzenia wykresów potwierdzają jasno, że wydajność prądowa katodowego wydzielania cynku rożnie wraz z gęstością prądu, ale niestety wraz z tym rośnie również zużycie energii.

3

---