background image

L

ABORATORIUM FIZYCZNE

 

Instytut Fizyki Politechniki Krakowskiej 

ĆWICZENIE

 

11 

Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego wodoru i 

testowanie pierwszego prawa Faradaya 

 

J.Kurzyk 

 

 

 

background image

Ćwiczenie 11 

 

ĆWICZENIE

 

11 

Wyznaczanie  równoważnika  elektrochemicznego  wodoru  i 
testowanie pierwszego prawa Faradaya 

J.Kurzyk 

1.

 

Wprowadzenie 

Głównym  celem  ćwiczenia  jest  wyznaczenie  równoważnika  elektrochemicznego 
wodoru.  Zastosowana  metoda  pomiarowa  pozwali  jednocześnie  na  sprawdze-
nie,  czy  zależność  masy  wodoru,  jaka  wydziela  się  podczas  elektrolizy,  od  ła-
dunku,  jaki  przepływa  między  elektrodami  ma  charakter  liniowy.  Tego  typu 
zależność  wynika  z  pierwszego  prawa  Faradaya,  a  zatem  wyniki  naszych  po-
miarów  będą  jednocześnie  testem  tego  prawa.  Wyznaczenie  wartości  równo-
ważnika  elektrochemicznego  wodoru  pozwala  nam  dodatkowo  wyliczyć  war-
tość stałej Faradaya oraz wartość ładunku elementarnego. 

1.1

 

Dysocjacja elektrolityczna 

Woda  jest  najbardziej  znanym  i  jednocześnie  bardzo  dobrym  rozpuszczalnikiem  wielu 

substancji.  Już  na  początku  badań nad  elektrycznością  zauważono,  że  wodne roztwory  nie-
których  związków  chemicznych  (należą  do  nich  wszystkie  kwasy,  zasady  i  sole)  przewodzą 
prąd  elektryczny,  a  inne  nie.  Pod  koniec  XIX  wieku  problemem  tym  zajmował  się  szwedzki 
chemik  i  fizyk  Svante  Arrhenius.  Wysunął  on przypuszczenie, że  cząsteczki  kwasów,  zasad i 
soli pod wpływem wody ulegają rozpadowi na jony dodatnie i ujemne. Proces ten nazywany 
jest 

dysocjacją  elektrolityczną

,  a  powstały  w  wyniku  dysocjacji  elektrolitycznej  roztwór 

związku chemicznego – 

elektrolitem

. Za opracowanie teorii dysocjacji elektrolitycznej Arrhe-

nius otrzymał w 1903 roku nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.  

Podczas dysocjacji elektrolitycznej jonami dodatnimi stają się atomy metali oraz wodór, a 

jonami ujemnymi reszty kwasowe i zasadowe, np.  

H SO → 2H + SO , 

KOH → K + OH , 

CuSO → Cu + SO . 

Dysocjacja  elektrolityczna  jest  procesem  odwracalnym.  W  elektrolitach  ciągle  zachodzi 

proces dysocjacji i odwrotny do niego proces 

rekombinacji

. Oznacza to, że nieustannie jedne 

cząstki  rozpadają  się  na  jony,  a  z  kolei  niektóre  jony  na  powrót  łączą  się  w  obojętne  elek-
trycznie cząsteczki. Jednak w danych warunkach (w danej temperaturze i przy danym stęże-
niu roztworu) w roztworze znajduje się mniej więcej stała liczba jonów obu rodzajów. Stosu-
nek  liczby  moli  cząstek  związku  chemicznego,  które  uległy  dysocjacji  do liczby  moli  wszyst-

background image

Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego wodoru … 

 

kich  cząstek  związku  nazywamy 

stopniem  dysocjacji

.  Elektrolity  dzielimy  na  tzw. 

elektrolity 

słabe

  i 

elektrolity  mocne

.  W  przypadku  elektrolitów  słabych  stopień  dysocjacji  jest  bardzo 

mały. Przykładem elektrolitu słabego jest wodny roztwór kwasu węglowego H

2

CO

3

. W przy-

padku elektrolitów mocnych stopień dysocjacji jest bliski jedności. Przykładem takiego elek-
trolitu jest wodny roztwór kwasu siarkowego H

2

SO

4

, z jakim mamy do czynienia w tym ćwi-

czeniu. Elektrolit jako całość jest elektrycznie obojętny – ilość ładunku elektrycznego na jo-
nach dodatnich jest taka sama jak na jonach ujemnych. 

Bardzo dobre właściwości dysocjacyjne wody wynikają z budowy jej cząsteczki. Ułożenie 

atomów wodoru w stosunku do atomu tlenu i wiążące się z tym przesunięcie efektywnego 
ładunku
 ujemnego względem efektywnego ładunku dodatniego (patrz rysunek 1.1), sprawia, 
że cząsteczka wody jest tzw. 

cząsteczką polarną

, czyli ma trwały moment dipolowy. Oznacza 

to, że wytwarza wokół siebie pole elektryczne, chociaż jest elektrycznie obojętna. Moment 
dipolowy cząsteczki wody jest dość wysoki co przejawia się w bardzo dużej względnej przeni-
kalności dielektrycznej wody wynoszącej w temperaturze pokojowej ok. 80.  
 

 

Rys. 1.1 Model cząsteczki wody. 

 
Dysocjacja cząsteczek związku rozpuszczonego w wodzie wywołana jest polem elektrycznym 
cząsteczek  wody,  które otaczają  cząsteczki  rozpuszczonej  w  wodzie  substancji  chemicznej  i 
zderzają się z nimi wskutek ruchów termicznych. Zdolność do dysocjacji wykazują cząsteczki, 
w których występują 

wiązania jonowe

 lub 

kowalencyjne

 silnie spolaryzowane. 

Do samorzutnej dysocjacji dochodzi również w czystej wodzie: 

H O + H O → H O + OH . 

Jednak w warunkach normalnych stopień dysocjacji wody jest bardzo mały. Zaledwie jedna 
cząstka wody na 10

7

 cząstek ulega dysocjacji, dlatego czysta chemicznie woda nie przewodzi 

prądu elektrycznego. 

1.2

 

Przepływ prądu w elektrolitach, elektroliza 

Elektrolity  są  dość  dobrymi  przewodnikami  prądu  elektrycznego.  Mechanizm  przewo-

dzenia prądu elektrycznego przez elektrolity jest inny niż w metalach. Główna różnica polega 
na tym, że nośnikami prądu w metalach są elektrony, zaś w elektrolitach nośnikami są jony 
dodatnie  i  ujemne.  W  przeciwieństwie  do  metali  przewodnictwo  elektryczne  elektrolitów 
wzrasta  z  temperaturą,  gdyż  wraz  z  temperaturą  wzrasta  tzw.  ruchliwość  jonów,  a  także 
(zwłaszcza w przypadku słabych elektrolitów) stopień dysocjacji. Uporządkowany ruch jonów 

background image

Ćwiczenie 11 

 

w elektrolitach, czyli prąd elektryczny, uzyskujemy za pomocą zewnętrznego pola elektrycz-
nego wytworzonego przez zanurzone w elektrolicie elektrody, pomiędzy którymi panuje róż-
nica potencjałów. Elektrodę o dodatnim potencjale nazywamy 

anodą

, a elektrodę o poten-

cjale ujemnym 

katodą

. Pod wpływem pola elektrycznego jony dodatnie poruszają się w kie-

runku katody i dlatego nazywamy je 

kationami

. Jony ujemne poruszają się w kierunku anody 

i nazywamy je 

anionami

 

Rys. 1.2 Ruch jonów elektrolitu w polu elektrycznym. 

Po  dojściu  kationu  (jonu  dodatniego)  do  katody  następuje 

redukcja

,  czyli  pobranie 

elektronu (lub elektronów) przez jon. W przypadku jonu wodoru w wyniku redukcji powstaje 
wodór, który uwalnia się z roztworu. 

2H + 2 → H ↑. 

W przypadku, gdy kationem był jon metalu, w wyniku redukcji powstaje atom tego metalu, 
który następnie osadza się na elektrodzie. 

Cu + 2 → Cu. 

Z  kolei  na  anodzie  dochodzi  do  procesu 

utleniania 

(oddawania  elektronów).  W  procesach 

chemicznych zachodzących na anodzie bardzo często aktywny udział biorą cząsteczki wody. 
W przypadku elektrolitów kwasowych na anodzie dochodzi do procesu 

H O → ½O ↑ +2H + 2e, 

np.  

SO − 2e → SO , 

SO + H O → ½O ↑ +2H + SO .  

Ostatecznie,  podczas  elektrolizy  wodnego  roztworu  kwasu  siarkowego  będziemy  obserwo-
wać wydzielanie się wodoru na katodzie i tlenu na anodzie. 

Całość procesów fizyko-chemicznych zachodzących w elektrolicie pod wpływem przyłożone-
go  zewnętrznego  pola  elektrycznego  nazywamy 

elektrolizą

.  Elektroliza  ma  duże  znaczenie 

praktyczne i jest szeroko stosowana w wielu gałęziach przemysłu, m.in. do 

 

Produkcji gazów takich jak wodór, tlen, chlor.  

 

Produkcji metali takich jak glin, lit, potas, sód. 

background image

Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego wodoru … 

 

 

Galwanizacji, czyli pokrywania przedmiotów metalowych cienką warstwą innego me-
talu (np. cynkowanie blach, posrebrzanie biżuterii, chromowanie, niklowanie). 

 

Otrzymywania bardzo czystej chemicznie miedzi (rafinacja miedzi). 

 

Produkcji wielu związków chemicznych. 

1.3

 

Prawa Faradaya 

Zjawisko elektrolizy badał w XIX wieku Michael Faraday – angielski fizyk i chemik. Sformu-

łował on dwa prawa nazywane na jego cześć prawami Faradaya.  

Pierwsze  prawo  Faradaya

  stwierdza,  że  masa 

  substancji,  jaka  wydziela  się  podczas 

elektrolizy na każdej z elektrod jest proporcjonalna do ilości ładunku  , jaki przepływa przez 
elektrolit
 

=

przy  czym  współczynnik  proporcjonalności    występujący  w  tym  prawie,  nazywany 

równo-

ważnikiem  elektrochemicznym

  wydzielonej  na  elektrodzie  substancji,  zależy  wyłącznie  od 

rodzaju substancji, a nie zależy od rodzaju elektrolitu, jego stężenia, rozmiaru i kształtu elek-
trod, temperatury i innych czynników zewnętrznych. W układzie SI jednostką równoważnika 
elektrochemicznego jest kg/C, jednak ze względu na małą wartość równoważników elektro-
chemicznych  wygodniej  jest  używać  jednostki  mg/C.  Równoważnik  elektrochemiczny  jest 
liczbowo  równy  masie  substancji,  jaka  wydzieli się  na  elektrodzie,  jeśli  przez elektrolit  prze-
płynie jednostkowy ładunek
.  

Drugie prawo Faradaya

 bywa podawane w różnych postaciach. Jedna z tych postaci jest 

następująca:  stosunek  równoważników  elektrochemicznych  różnych  substancji  jest  równy 
stosunkowi ich gramorównoważników
 

= . 

Gramorównoważnikiem

 (inaczej równoważnikiem chemicznym) 

  jonu nazywamy stosunek 

jego 

masy molowej

 (masy jednego mola substancji)   do wartościowości   

= . 

Drugie  prawo  Faradaya  można  również  sformułować  tak:  stosunek  gramorównoważników 
substancji  do  ich  równoważników  elektrochemicznych  jest  dla  wszystkich  substancji  jedna-
kowy 

= , 

czyli 

= ∙ =   = !"#$%. 

background image

Ćwiczenie 11 

 

Stosunek  ten  oznaczamy  literą 

  i nazywamy 

stałą  Faradaya.

  Stała  Faradaya  jest  liczbowo 

równa ładunkowi elektrycznemu, jaki powoduje wydzielenie się na elektrodzie 

1/  części mo-

la substancji o wartościowości  . Stała Faradaya wynosi  

  = 96 485,3365.21/

C

mol.

 

Z  interpretacji  fizycznej  stałej  Faradaya,  wynika,  że  jest  ona  równa  iloczynowi  ładunku  ele-
mentarnego   i liczby Avogadra 

3

4

  = 3

4

2.

 

Metoda pomiaru 

Jak pokazano w punkcie 1.2, podczas elektrolizy wodnego roztworu kwasu siarkowego na 

katodzie  wydziela  się  wodór,  a  na  anodzie  tlen.  Wykorzystamy  to  do  wykonania  pomiaru 
równoważnika elektrochemicznego wodoru

1

. W eksperymencie przeprowadzimy elektrolizę 

10%  roztworu  kwasu  siarkowego  przy  stałej  wartości  prądu  elektrycznego.  Jeśli  przez  elek-
trolit przepływa prąd elektryczny o stałej wartości 

5, to ładunek przeniesiony przez elektrolit 

w czasie 

6 (czytaj tau) wynosi  = 5 ∙ 6. Wobec tego, zgodnie z pierwszym prawem Faradaya, 

masa   substancji wydzielonej na każdej elektrod po czasie 

6 będzie równa: 

.6/ = 56. 

Podczas  eksperymentu  będziemy  mierzyć  masę  wodoru,  jaki  wydzieli  się  po  czasie 
6 , 6 , … 6

8

.6 < 6 < ⋯ < 6

8

/.  Pomiar  masy  będzie  pomiarem  pośrednim  polegającym  na 

odczytaniu  objętości 

; wydzielonego wodoru i wyznaczeniu jego gęstości < w danych warun-

kach 

. = <;/. Następnie do zebranych punktów pomiarowych {

>

, 6

>

}, @ = 1. . # dopasuje-

my metodą najmniejszych kwadratów prostą typu 

= A6. Takie podejście ma dwie zalety. Po 

pierwsze,  sprawdzimy  zgodność  naszych  wyników  z  pierwszym  prawem  Faradaya.  Po  drugie, 
znajomość  współczynnika  kierunkowego 

A prostej  = A6. oraz natężenie prądu 5 jaki płynął 

przez  elektrolit  podczas  naszego  eksperymentu  pozwoli  nam  na  wyznaczenie  równoważnika 
elektrochemicznego wodoru ze wzoru 

=

A

5.

 

Oczywiście  musimy  zdawać  sobie  sprawę,  że  przeprowadzony  przez  nas  test  słuszności 
pierwszego  prawa  Faradaya  nie  jest  kompletny.  Sprawdzimy  jedynie  proporcjonalność  wy-
dzielonej  na  elektrodzie  masy  wodoru  do  ładunku  jaki  przepłynął  między  elektrodami.  Nie 
możemy  na  tej  podstawie  stwierdzić,  czy  współczynnik  proporcjonalności  (równoważnik 
elektrochemiczny)  będzie  taki  sam  w  przypadku  innego  elektrolitu,  w  którym  wydziela  się 
wodór, w przypadku innego stężenia elektrolitu, innej geometrii elektrod itp., a także, czy dla 
innych substancji zależność wydzielonej masy od ładunku ma też charakter liniowy. 

                                                       

1

  Wydzielający  się  podczas  elektrolizy  tlen  w  dużym  stopniu  rozpuszcza  się  w  wodzie  i  dlatego  wyznaczenie, 

opisaną tu metodą, równoważnika elektrochemicznego tlenu obarczone byłoby zbyt dużym błędem.  

background image

Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego wodoru … 

 

3.

 

Wykonanie ćwiczenia 

3.1

 

Opis układu pomiarowego 

Elektrolizę  10%  wodnego  roztworu  kwasu  siarkowego  przeprowadzimy  w  tzw.  aparacie 

Hofmanna  (patrz.  rysunek  2.1).  Są  to  trzy  połączone  ze  sobą  rurki  (naczynia  połączone),  z 
których  dwie  boczne,  nazywane 

biuretami

,  mają  wprowadzone  od  dołu  elektrody  (na  ogół 

platynowe) a od góry wyposażone są w zaworki pozwalające na szczelne zamknięcie rurek. 
Środkowa rurka, w górnej części zakończona jest szklaną bańką, w której zbiera się elektrolit 
wypierany  przez  gazy  gromadzące  się  w  bocznych  biuretach  (patrz.  rysunek  2.2).  Na  po-
wierzchni obu biuret naniesiona jest skala pozwalająca na mierzenie objętości gazów, jakie 
zbierają się w rurkach podczas elektrolizy. Do elektrod umieszczonych w biuretach przykła-
damy napięcie z zasilacza prądu stałego poprzez opornicę suwakową, dzięki której możemy 
ustawić  żądane  natężenie  prądu  płynącego  przez  elektrolit.  Schemat  układu  pomiarowego 
przedstawia rysunek 2.2. 
 

 

 

Rys. 2.1. Aparat Hoffmana. 

Rys. 2.2. Schemat układu pomiarowego. 

3.2

 

Przebieg pomiarów 

W  ćwiczeniu  mamy  do  czynienia  z  roztworem  kwasu  siarkowego.  Należy  zatem  za-

chować  szczególną  ostrożność.  Podczas  wypuszczania  gazów  z  biuret,  wyloty  rurek  dobrze 
jest osłonić kawałkiem ręcznika papierowego, a zaworki na biuretach odkręcać powoli. 

1.

 

Po zmontowaniu układu pomiarowego (patrz rys. 2.2) i zgodzie osoby prowadzącej włą-
czamy zasilanie i ustawiamy natężenie prądu na ok. 0,2 A. Zaworki na biuretach powinny 
być zakręcone. Po czasie ok. 2 minut wyłączamy zasilanie i ostrożnie wypuszczamy gazy z 
obu biuret, po czym ponownie zakręcamy zaworki. Opisane czynności mają na celu nasy-
cenie roztworu wodorem, tak aby wodór, jaki będzie się wydzielał w dalszej części ekspe-
rymentu w całości opuszczał roztwór. 

background image

Ćwiczenie 11 

 

2.

 

Ustawiamy  katetometr  (przyrząd  służący  do  zdalnego  pomiaru  długości  pionowych  od-
cinków) tak, aby przez lunetkę katetometru można było obserwować poziom roztworu w 
biurecie, w której będzie się zbierał wodór oraz poziom roztworu w zbiorniczku wyrów-
nawczym (patrz. rys. 2.2). Katetometr powinien być ustawiony dokładnie w pionie. Służą 
do  tego:  pion  zawieszony  na  katetometrze  oraz dwie  śruby  regulacyjne umieszczone  w 
podstawie katetometru. 

3.

 

Odczytujemy  i  zapisujemy  aktualne  ciśnienie  atmosferyczne  oraz  temperaturę  otocze-
nia

2

.  

4.

 

Włączamy  jednocześnie  zasilacz  i  stoper.  Kontrolujmy  czy  natężenie  prądu  płynącego 
przez elektrolit nie zmieniło się i w razie potrzeby korygujemy natężenie prądu suwakiem 
opornicy. 

5.

 

Po dwóch minutach (120 s) wyłączamy zasilacz i odczekujemy ok. 0,5-1 minuty, aż wszyst-
kie pęcherzyki wodoru wypłyną na powierzchnię. Następnie odczytujemy objętość wodo-
ru 

; (należy zwrócić uwagę na kierunek skali na powierzchni biurety i wartość najmniej-

szej działki skali). Za pomocą katetometru mierzymy poziomy roztworu

3

 

ℎ  i ℎ  jak na ry-

sunku 2.2 (Uwaga: gazu nie wypuszczamy!

6.

 

 Czynności opisane w punktach 4 i 5 powtarzamy ok. 7-10 razy. 

7.

 

Zebrane dane pomiarowe zapisujemy na bieżąco w tabeli (patrz tabela 3.1).  

8.

 

Po zakończeniu pomiarów ostrożnie wypuszczamy gazy z obu biuret i porządkujemy sta-
nowisko. 

Tabela 3.1. Fragment tabeli do zapisywania wyników pomiarów w ćw. 11. 

Lp. 

6 [s]

; [cm ] 

ℎ  [cm] 

ℎ  [cm] 

– 

– 

120 

 

 

 

… 

 

 

 

 

3.3

 

Obliczenia 

Po wykonaniu pomiarów opisanych w poprzednim punkcie znamy objętość 

; wydzielo-

nego na katodzie wodoru w funkcji czasu. Masę   wydzielonego wodoru wyliczymy z zależ-
ności 

= <;, 

gdzie 

< jest gęstością wodoru w danych warunkach, czyli w danej temperaturze G i danym 

ciśnieniu 

H. Z tablic odczytujemy gęstość <

I

 wodoru w tzw. 

warunkach normalnych

, tzn. w 

temperaturze 

G

I

= 273,15 K  i  pod  ciśnieniem  H

I

= 1023,25 hPa.  Korzystając  z  równania 

stanu gazu 
                                                       

2

 Do obliczeń potrzebne są nam temperatury: elektrolitu, wydzielonego wodoru i pary wodnej nad elektrolitem. 

W warunkach naszego eksperymentu możemy z dużą dokładnością przyjąć, że te temperatury są równe tempe-
raturze otoczenia. 

3

 Nie ma znaczenia poziom odniesienia, tzn. poziom, względem którego mierzymy oba poziomy, gdyż nas inte-

resuje jedynie różnica poziomów 

ℎ  i ℎ , czyli wysokość ℎ słupa roztworu. 

background image

Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego wodoru … 

 

H ∙ ;

G =

H

I

∙ ;

I

G

I

 

i definicji gęstości dostajemy 

< = ; = ;

I

HG

I

H

I

G.

 

Stąd otrzymujemy wzór na gęstość 

< wodoru o temperaturze G znajdującego się pod ciśnie-

niem 

H przyjmuje postać 

< = <

I

HG

I

H

I

G.

 

Ciśnienie 

H wodoru możemy wyliczyć z warunku równowagi ciśnień. W biurecie z katodą, 

nad  powierzchnią  elektrolitu  znajduje  się  wodór  i  para  wodna.  Suma  ciśnień  cząstkowych 
obu gazów (

H wodoru i H

O

 pary wodnej) musi równoważyć ciśnienie atmosferyczne 

H

P

 i ci-

śnienie wywierane przez słup o wysokości 

ℎ cieczy o gęstości <

Q

, czyli tzw. ciśnienie hydro-

statyczne 

H

R

 równe 

H

R

= <

Q

Sℎ. 

Z warunku równowagi ciśnień mamy 

H + H

O

= H

P

+ H

R

Stąd ciśnienie wodoru wynosi 

H = H

P

− H

O

+ <

Q

Sℎ. 

Ciśnienie (tzw. prężność) nasyconej pary wodnej dla danej temperatury odczytujemy z tablic 
lub wyliczamy z empirycznego wzoru (wg PN-EN ISO 13788: 2003) 

H

O

= 6,105 ∙

e

17,269∙t

237,3+t

hPa, 

gdzie 

% jest temperaturą pary wodnej w stopniach Celsjusza.  

Gęstość 

<

Q

  10%  wodnego  roztworu  kwasu  siarkowego  w  temperaturze 

% °C odczytujemy z 

tablic lub wyliczamy z empirycznego wzoru  

<

Q

.%/ = 1,0745 − 0,000420 ∙ %

g

cm .

 

Podczas obliczeń zwróćmy uwagę na jednostki. Jeśli ciśnienie atmosferyczne, ciśnienie nor-
malne  i  prężność  pary  podajemy  w  hPa,  to  ciśnienie  hydrostatyczne  też  musimy  podać  w 
hPa.  Warto  zauważyć, że  jeśli  do obliczeń  ciśnienia hydrostatycznego  wodoru 

.H

R

= <

Q

Sℎ/ 

weźmiemy wartość gęstości 

<

Q

 roztworu w 

V

WX

Y

, wysokość słupa roztworu 

ℎ w cm, wartość 

przyśpieszenia ziemskiego 

g w 

X

Z

[

, a wynik podzielimy przez 10, to otrzymamy wynik w 

hPa 

.1 g/cm =

10

kg/m , 1 cm =

10

m, 1 hPa =

10

Pa,

10 ∙ 10 /10

=

1/10

/. 

 

background image

Ćwiczenie 11 

10 

 

Pomocnicze  dane,  które  będą  nam  potrzebne  podczas  liczenia  masy  wodoru  zapisujemy  w 
tabeli (patrz tabela 3.2). 

Tabela  3.2.  Tabela  pomocniczych  wielkości  potrzebnych  podczas  wyliczania  masy  wodoru,  jaki  wydzielił  się 
podczas elektrolizy. 

Symbol 

wielkości 

Opis 

Wartość 

H

I

 

ciśnienie normalne 

1013,25 hPa 

G

I

 

temperatura normalna 

273,15 K 

<

I

 

gęstość wodoru w warunkach normalnych 

0,08989 mg/cm

3

 

temperatura elektrolitu, pary wodnej  

i wodoru w skali Celsjusza 

odczytujemy z termometru w °C 

temperatura elektrolitu, pary wodnej  

i wodoru w skali Kelwina  

G = % + 273,15 

H

P

 

ciśnienie atmosferyczne 

odczytujemy z barometru w hPa 

H

O

 

prężność nasyconej pary wodnej dla tem-

peratury 

z tablic lub ze wzoru  

H

O

= 6,105 ∙ e

], ^_∙`

], `

hPa 

 

ρ

r

 

gęstość 10% roztworu wodnego kwasu 

siarkowego dla temperatury 

z tablic lub ze wzoru 

<

Q

.%/ = 1,0745 − 0,00042 ∙ %

g

cm .

 

Po zgromadzeniu wszystkich potrzebnych danych przystępujemy do wyliczenia masy wodoru 
zależnej  od  czasu  przepływu  prądu  przez  elektrolit.  Wyniki  obliczeń  zapisujemy  w  tabeli 
(patrz tabela 3.3). 

Tabela 3.3 Fragment tabeli do zapisywania wyników obliczeń 

H, <,   w ćw. 11. 

Lp. 

6 [s]  ; [cm

3

ℎ [cm]  H [hPa]  < [mg/cm

3

[mg] 

– 

– 

– 

– 

120 

 

 

 

 

 

... 

 

 

 

 

 

 

3.4

 

Opracowanie wyników pomiarów 

3.4.1

 

Równoważnik elektrochemiczny wodoru 

Po wyliczeniu mas wydzielonego wodoru w poszczególnych czasach sporządzamy wy-

kres  zależności  masy  wydzielonego  wodoru 

  od  czasu  przepływu  prądu 

6  i  do  punktów 

pomiarowych  dopasowujemy  metodą  najmniejszych  kwadratów  prostą 

 =  A

τ

  (możemy 

skorzystać z programu WykresLab). Sprawdzimy tym samym, czy przebieg naszego ekspery-
mentu jest w zgodzie z pierwszym prawem Faradaya, tzn. czy masa wodoru wydzielającego 
się na katodzie była proporcjonalna do ładunku, jaki przepływał między elektrodami. 

background image

Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego wodoru … 

11 

 

Wartość równoważnika elektrochemicznego wodoru znajdujemy ze związku: 

=

A

5.

 

Niepewność wyznaczenia wartości równoważnika elektrochemicznego wodoru wyliczamy ze 
wzoru: 

a. / = ∙ bc

a.A/

A d + c

a.5/

5 d .

 

Następnie zapisujemy wynik pomiaru zgodnie z regułami zapisu omówionymi w [3] rozdz. 8. 
Wynik  porównujemy  (patrz  [3]  rozdz.  10)  z  tablicową  wartością  równoważnika  elektroche-
micznego wodoru, czyli sprawdzamy, czy 

ePfg

 mieści się wyznaczonym przez nas przedziale 

h − a. /, + a. /i.  Wartość  tablicowa  równoważnika  elektrochemicznego  wodoru  jest 
równa 

ePfg

= 0,01044 mg/C.

 

3.4.2

 

Stała Faradaya 

Korzystając z otrzymanego w poprzednim punkcie wyniku oraz drugiego prawa Fara-

daya, możemy wyliczyć stałą Faradaya. Korzystamy ze wzoru 

  = ∙ . 

Dla  wodoru  H

2

  w  tablicach  znajdujemy 

= 2,0016 g/mol = 2001,6 mg/mol  oraz  = 2. 

Niepewność masy molowej wodoru możemy zaniedbać, a zatem 

a. / =   ∙

a. /

Otrzymany wynik porównujemy z wartością tablicową: 

 

ePfg

= 96485,3365.21/ C/mol. 

3.4.3

 

Ładunek elementarny 

Korzystając z wyniku otrzymanego w poprzednim punkcie i interpretacji fizycznej stałej Fara-
daya (patrz punkt 1.3) wyliczamy wartość ładunku elementarnego 

=

 

3

4

Z  tablic  znajdujemy  wartość  liczby  Avogadro 

3

4

= 6,02214129 ∙ 10  mol .  Niepewność 

wyznaczenia ładunku elementarnego liczymy ze wzoru 

a. / = ∙

a. /

  .

 

Otrzymany wynik porównujemy z wartością tablicową: 

= 1,602176487.40/ · 10

_

C. 

background image

Ćwiczenie 11 

12 

 

4.

 

Literatura  

[1] T. Dryński, Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, PWN, Warszawa 1978. 

[2] Praca  pod  red.  B.Oleś  i  M.  Duraj:  Ćwiczenia  laboratoryjne  z  fizyki,  cz.I.  wyd.4,  Wyd.  PK, 

Kraków 2008. 

[3] J. Kurzyk, Niepewności pomiaru – wersja podstawowa, Dok. wewnętrzny IFPK, 2014.  

[4] D. Halliday, R. Resnick, Fizyka, t. 2, PWN, Warszawa 2006. 

[5] 

http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html

 - tablice stałych fizycznych.