Szyjka Monika

I rok informatyki

Ćwiczenie E.3.b.

Elektroliza.

Zagadnienia teoretyczne.

Dynamika procesów w elektrolicie.

Roztwory posiadające właściwość przewodzenia prądu noszą nazwę elektrolitów. Zjawisko przepływu prądu elektrycznego przez elektrolity wraz z towarzyszącymi mu procesami chemicznymi nosi nazwę elektrolizy.

W wodnym roztworze znikoma porcja energii (związane z wysoką przenikalnością dielektryczną wody) wystarczy, aby rozerwać cząsteczki według schematu:

Taki proces rozpadu nazywamy dysocjacją. Dla danego roztworu w stałej temperaturze istnieje stan równowagi dynamicznej; w tym samym czasie taka sama ilość cząsteczek dysocjuje i powstaje w procesie rekombinacji jonów według schematu:

Wędrówkę jonów w roztworze może zapoczątkować różnica potencjałów, którą wytworzą dwie elektrody połączone do źródła prądu i zanurzone w roztworze. Wtedy jony dodatnie (kationy) przemieszczają się do elektrody ujemnej (katody), zaś ujemne (aniony) do anody. W konkretnym przypadku np. wodnego roztworu siarczanu miedzi ujemne jony
wędrują w kierunku anody. Ponieważ nie występują one w stanie wolnym reagują one bądź to z materiałem anody bądź też z cząsteczkami rozpuszczalnika. W czasie elektrolizy
przy zastosowaniu anody miedzianej masa katody rośnie a masa anody zmniejsza się, natomiast stężenie elektrolitu pozostaje stałe.

Prawa Faraday'a.

Zjawiska elektrolizy zostały ilościowo zbadane i ujęte przez Faraday'a w postaci następujących dwóch praw.

I. Masa substancji
wydzielonej na elektrodzie jest proporcjonalna do natężenia
prądu przepływającego przez elektrolit oraz do czasu
trwania elektrolizy.

gdzie
jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym równoważnikiem elektrochemicznym.

II. Masy substancji
wydzielonych na elektrodach przez taki sam ładunek są wprost proporcjonalne do równoważników chemicznych
tych substancji:

Stąd i z pierwszego prawa Faraday'a otrzymujemy zależność :

Zatem stosunek
jest stały dla wszystkich pierwiastków. Stosunek ten nosi nazwę stałej Faraday'a (F).

Z rezultatów wielu eksperymentów wynika, że
kulombów/gramorównoważnik.

Na podstawi powyższych zależności otrzymujemy zależność:
.

Opis ćwiczenia.

Schemat obwodu do wyznaczania równoważnika elektrochemicznego wodoru i miedzi.

A₁,A₂ - anody; K₁,K₂ - katody; H- przyrząd Hoffmanna; M- woltametr miedziowy; W- klucz; B- bateria; R - opornica ; A- amperomierz.

Do woltametru wlewamy możliwie największą ilość elektrolitu, tak aby czynna powierzchnia elektrod była jak największa. Po ustaleniu natężenia prądu przerywamy obwód i przygotowujemy katodę do ważenia. Najpierw czyścimy ją papierem ściernym, obmywamy wodą destylowaną i suszymy w strumieniu ciepłego powietrza z suszarki elektrycznej. Tak przygotowaną katodę ważymy na wadze elektrycznej. Po zważeniu katodę ponownie umieszczamy w woltametrze. Wypuszczamy przez krany gazy zebrane w przyrządzie Hoffmanna. Zamykamy obwód kluczem i jednocześnie uruchamiamy sekundomierz. Podczas elektrolizy natężenie prądu winno być stałe. W przypadku zaobserwowania zmiany natężenia doprowadzamy je do poprzedniej wartości opornicą suwakową. Przepływ prądu przerywamy gdy zbierze się około 50 cm³ wodoru. Po przerwaniu obwodu ostrożnie spłukujemy miedzianą katodę wodą zakwaszoną, a następnie destylowaną, suszymy i ważymy jak poprzednio. Z podanych wyżej wzorów wyliczamy równoważnik elektrochemiczny miedzi, a następnie stałą Faraday'a. Ponieważ nie można zważyć wydzielonego wodoru, masę jego znajdujemy pośrednio.

Wyniki pomiarów.

Zamieszczone w tabeli wielkości
i
obliczamy odpowiednio ze wzorów:

oraz

gdzie
dla miedzi wynosi
. Na tej podstawie uzupełniamy tabelę z wynikami pomiarów.

Masa katody przed elektrolizą [g]	Masa katody po elektrolizie [g]	Przyrost masy [g]	[A]	[s]	[g/As]	F [C/g-równoważnik]
83,493	83,588	0,095	0,29	993	0,0003299	96312,3243

Objętość wydzielonego wodoru		37
Temperatura wydzielonego wodoru		293,16
Stan barometru		748
Różnica poziomów roztworu w przyrządzie Hoffmanna		265
Poprawka na prężność pary wodnej nasyconej		18
Masa wydzielonego wodoru		0,003218
Równoważnik elektrochemiczny wodoru		0,0000111
Stała Faraday'a		96049

Aby obliczyć masę wodoru korzystamy ze wzoru:

natomiast po wyliczeniu masy wodoru obliczmy jego równoważnik elektrochemiczny i stałą Faraday'a z wyżej podanych wzorów.(
dla wodoru wynosi 1,00794).

Dyskusja błędu.

Dyskusję błędu przy wyznaczaniu równoważnika elektrochemicznego dla miedzi stosujemy metodę logarytmiczną.

gdzie

Stąd maksymalny błąd względny wynosi
, a więc błąd procentowy wynosi 3,7%.

A więc maksymalny błąd bezwzględny

Dyskusję błędu dla wyznaczania równoważnika elektrochemicznego wodoru wykonujemy metodą różniczkową.

=0,0003020

=

-
=-

-
=-

-
=-0,0000386

Podstawiając do wzoru:

Otrzymujemy następujący maksymalny błąd bezwzględny :

A więc maksymalny błąd względny jest równy:

stąd maksymalny błąd procentowy :