WNiG	Bartosz Żychowski Marcin Żurek		Rok: II		Grupa: 6		Zespół: 5
Temat: Elektroliza							Nr ćwiczenia: 35
		Data wykonania: 18.03.2008		Data oddania:		Data zaliczenia:	Ocena:

Cel ćwiczenia:

Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego miedzi oraz stałej Faradaya w doświadczeniu z elektrolizą wodnego roztworu CuSO₄ oraz zapoznanie się ze sposobem precyzyjnego pomiaru masy na wadze analitycznej.

Wstęp teoretyczny:

Charakterystyczna grupę przewodników prądu elektrycznego stanowią elektrolity. Są to przeważnie wodne roztwory kwasów, zasad i soli, czyli substancji krystalicznych o wiązaniu jonowym. Przy rozpuszczaniu kryształu wiązania miedzy jonami zostają zerwane i większa część atomów przechodzi do roztworu w postaci jonów, poruszających się bezładnie w roztworze. Rozpad na jony przy rozpuszczaniu nazywamy dysocjacja elektrolityczna, a otrzymany roztwór - elektrolitem.

Zjawisko dysocjacji zachodzi również w innych niż woda środowiskach, np. w alkoholach. Jednak ze względu na bardzo dużą stałą dielektryczna wody (ε = 81) stopień dysocjacji elektrolitycznej w roztworach wodnych jest znacznie większy.

Gdy do roztworu elektrolitu wstawimy elektrody i dołączymy je do zewnętrznego

źródła prądu stałego o różnicy potencjałów U, to ruch jonów staje się uporządkowany. Kationy dążą do ujemnej katody, aniony do anody, czyli przez elektrolit płynie prąd. Na elektrodach jony zostają zobojętnione i staja się zwykłymi atomami lub zgrupowaniami atomów. Przepływowi prądu towarzyszy wiec wydzielanie się substancji na elektrodach. Proces ten nazywamy elektroliza. Aby naładowany elektrycznie jon mógł zmienić się na elektrodzie na obojętny atom, musi przepłynąć ładunek równy ne, gdzie e jest ładunkiem elementarnym elektronu, natomiast n wartościowością:

n = 1 dla jonów typu Na⁺, Cl⁻,H⁺

n = 2 dla jonów typu Cu⁺⁺, SO₄⁻⁻, Ca⁺⁺ itd.

Liczba atomów wydzielonych na elektrodzie jest stosunkiem ładunku całkowitego (czyli iloczynu prądu I i czasu t) do ładunku pojedynczego jonu:

Masę powstałych atomów można obliczyć mnożąc liczbę atomów N przez masę pojedynczego atomu równą stosunkowi masy gramoatomu A do liczby Avogadra N_A, czyli:

Powyższy wzór obejmuje dwa prawa elektrolizy Faradaya, które zostały sformułowane

oddzielnie na drodze eksperymentalnej:

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

Porównując oba wzory widać, że współczynnik proporcjonalności wynosi:

Nazywamy go elektrochemicznym równoważnikiem substancji.

II. Równoważniki elektrochemiczne k pierwiastków są proporcjonalne do ich równoważników chemicznych A/n . Iloczyn eN_A wyraża ładunek potrzebny do wydzielania

jednego gramorównoważnika chemicznego substancji. Oznacza się go zwykle literą F i nazywa stałą Faradaya - eN_A = F = 96500 C.

Dzieląc stałą Faradaya przez liczbą Avogadra otrzymujemy wartość ładunku elementarnego.

Rezultatem elektrolizy roztworu siarczanu miedzi CuSO₄, przy użyciu elektrod

miedzianych, jest wydzielanie się miedzi na katodzie i ubytek takiej samej masy elektrody

dodatniej (anody). Równoważnik elektrochemiczny k wyznacza się przez pomiar masy wydzielonej na katodzie, natężenia prądu oraz czasu jego przepływu (I prawo Faradaya). Znając k, stałą Faradaya F, oblicza się korzystając ze wzoru na k i związku F = eN_A.

Aparatura:

Elektrolizę siarczanu miedzi CuSO₄ przeprowadza się w naczyniu z miedzianymi

elektrodami w kształcie równoległych płyt, oddalonych od siebie o kilka centymetrów. Natężenie przepływającego prądu odczytuje się na amperomierzu. Pomiaru przyrostu masy miedzi na katodzie, wymagającego dużej precyzji, dokonuje się na wadze analitycznej. Aparaturę należy podłączyć według podanego niżej schematu:

Opracowanie wyników i pomiarów:

Czas elektrolizy t = 30 min = 1800 s

Natężenie prądu I = 0,5 A

Klasa amperomierza - 0,5

Używany zakres amperomierza - 0,75 A

Pomiar mas katody i anod
m1 [g]	M1 [g]	M2 [g]
61,014	54,622	112,290

Pomiar mas katody i anod po elektrolizie
mk1 [g]	Mk1 [g]	Mk2 [g]
61,315	54,454	112,163

Obliczanie masy miedzi wydzielonej na katodzie:

m_kat = m₁ - m_k1 = (61,315-61,014) = 0,301 g

Obliczanie zmiany masy anod podczas elektrolizy:

M_and = (M₁ - M_k1)+(M₂ - M_k2) = (54,622 - 54,454) + (112,290 - 112,163) = 0.295 g

Obliczanie wartości współczynnika elektrochemicznego miedzi przy wykorzystaniu

I prawa Faradaya:

Obliczanie stałej Faradaya korzystając z wyliczonego wcześniej k:

Za pomocą wyznaczonej stałej Faradaya obliczamy wielkość ładunku elementarnego:

Obliczanie niepewności pomiarowej:

Niepewność pomiaru przyjmujemy jako

u(m) = 10^-6 kg

u(M) = 10^-6 kg

u(I) = (klasa amperomierza ∙ zakres) / 100 = (0,5 ∙ 0,75 A) / 100 = 0,00375 A

u(Q) = 6,75 C

u(t) = 1,8 s

Niepewność procentowa pomiaru czasu równa się 0,1 %. Jest to wielkość zaniedbywalnie mała, która w dalszych obliczeniach pomijamy.

Korzystając z prawa przenoszenia niepewności (z uwzględnieniem pominiętej niepewności pomiarowej czasu):

Po podstawieniu wcześniej określonych niepewności pomiarowych otrzymujemy wynik:

u(k) = 1,1196 ∙10^-9 kg / C = 1,1196 ∙10^-3 mg / C

Obliczanie niepewności pomiarowej stałej Faradaya:

u(F) = [A ∙ u(k)] / (n ∙ k²)

u(F) = 283,3779 C

Obliczanie niepewności pomiarowej ładunku elementarnego:

u(e) = u(F) / N_A

u(e) = 283,3779 / 6,02 ∙ 10²³ = 4,7072 ∙ 10^-22 C

Uzyskane wyniki
	Wartość tablicowa	Wartość wyznaczona w doświadczeniu	Różnica	Niepewność	Niepewność względna [%]
k [kg/C]	0,3294 ∙10^-6	0,3444 ∙10^-6	1,5 ∙ 10^-8	1,1196 ∙ 10^-9	7,59
F [C]	96500	92305.459	4194.541	283,3779	7,10
e [C]	1,6020 ∙10^-19	1,489 ∙10^-19	1,13 ∙ 10^-20	4,7072 ∙10^-22	7,05

---