»

                                                                                                                Aleksandra Syta

Wydział:Weterynaria

Godzina:17-20

1.Cel.

Celem mojego ćwiczenia jest wyznaczenie równoważnika chemicznego za pomocą elektrolizy, jak i również zapoznanie się ze zjawiskami zachodzącymi podczas przepływu prądu przez elektrolity.

2.Wprowadzenie.

Wodne roztwory kwasów, zasad i soli ulegają dysocjacji elektrolitycznej polegające na rozpadzie drobin na jony dodatnie- kationy (metale, wodór) i jony ujemne- aniony (reszty kwasowe, grupa wodorotlenowa). Jony te mogą przewodzić prąd elektryczny. Prąd w elektrolitach to przepływ dużych jonów, a nie elektronów, jak w prądzie przepływającym przez metalach. Dlatego też opór właściwy elektrolitów jest znacznie większy niż metali. Elektrolity zachowują się jak przewodniki, podlegają prawu Ohma i ich opór wzrasta w taki sam sposób jak metali zależy od temperatury, wzrasta wraz z temperaturą. Zjawiska zachodzące przy przepływie prądu przez elektrolit nazywamy elektrolizą. Opisują ją prawa Faradaya.

I prawo elektrolizy Faradaya mówi, że masa substancji wydzielonej na elektrodzie podczas elektrolizy jest proporcjonalna do ładunku elektrycznego, który przepłynął przez elektrolit.

2

(1)                                                     m = k ∙q 

gdzie: q-ładuek, jaki przepłynął przez elektrolit; k- równoważnik     elektrochemiczny (jest liczbowo równy masie substancji wydzielającej się na elektrodzie przy przechodzeniu przez elektrolit ładunku 1C); m- masa substancji wydzielonej na elektrolizie

Ponieważ  q = It  to masa jest proporcjonalna do natężenia prądu i czasu jego przepływu więc otrzymujemy następujący wzór:

                                                    m = k ∙ I ∙ t                          

gdzie: I- natężenie prądu; t- czas tego przepływu; k- równoważnik elektrochemiczny.

Współczynnik k zwany równoważnikiem elektrochemicznym. Jest równy masie substancji wydzielającej się na elektrodzie podczas przepływu przez elektrolit 1 C (kulomba)

II prawo elektrolizy Faradaya stwierdza, że równoważnik elektrochemiczny pierwiastków wydzielających się na elektrodach podczas elektrolizy są wprost proporcjonalne do równoważników chemicznych R.

(2)                                                 

gdzie: F- stała Faradaya równa 96500 C*mol-1; R- równoważnik chemiczny (gramorównoważnik).

Równoważnikiem chemicznym nazywamy liczbę gramów pierwiastkach, która jest równa stosunkowi jego masy atomowej do wartościowości.

Z zależności (1) i (2) wynika, przepływ takiego samego ładunku przez dwa elektrolity spowoduje wydzielanie się na elektrodach substancji, których masy są wprost proporcjonalne do ich równoważników chemicznych:

(3)

             Wyznaczanie równoważnika chemicznego miedzi.

Do przeprowadzenia doświadczenia wykorzystujemy dwa woltametry połączone szeregowo-miedziowy oraz wodorotlenowy. Połączenie to przedstawia rysunek1.

Rysunek 1:

K-katoda, A-anoda, M-woltametr, W-woltametr wodorowy, Z-zasilacz prądu stałego

W woltametrze miedziowym elektrody miedziane zanurzone są w roztworze CuSO4 , a woltametr wodorotlenowy zbudowany jest z wanny z roztworem kwasu siarkowego oraz dwóch kalibrowanych cylindrów, całkowicie napełnionych tym samym roztworem H2SO4, i umieszczonych do góry dnem w wannie. Do cylindrów doprowadzone są dwie elektrody niklowe. W czasie elektrolizy na katodzie woltametru miedziowego osadza się miedź, natomiast na katodzie woltametru wodorotlenowego wydziela się wodór, który zbiera się w cylindrze na roztworem. Na anodzie woltametru wodorotlenowego wydziela się tlen, który również zbiera się w cylindrze.

Aby wyznaczyć równoważnik chemiczny miedzi trzeba przekształcić wzór (3)

   (4)                                                            

gdzie: RH- równoważnik chemiczny wodoru równy 1,008g; mCu- masa miedzi; mH- masa wodoru..

Masa wodoru liczymy ze wzoru:          

i oznaczają objętość i gęstość wodoru w warunkach normalnych, czyli To=273,15K i po=101,3 kPa..

Objętość wyznaczamy z równania stanu gazu doskonałego:

  (5)                                       

gdzie:T, p, V –temperatura, ciśnienie i objętość wydzielonego w doświadczeniu wodoru.; natomiast wartości To i po jak wyżej.

Temperatura T jest równa temp. pokojowej, V odczytujemy na cylindrze z wodorem.. Ciśnienie cząstkowe p wodoru trzeba wyliczyć. W cylindrze oprócz wodoru znajduje się również nasycona para wodna, która wywiera ciśnienie cząstkowe pn . Zgodnie z prawem Daltona ciśnienie całkowite nad roztworem jest równe sumie ciśnień p i pn . Suma tych ciśnień i ciśnienia hydrostatycznego słupa cieczy o wysokości h jest równoważona przez ciśnienie atmosferyczne pa Przedstawia to rysunek 2:

                                                             p+ pn+q*g*h=pa

gdzie: q-gęstość elektrolitu; g- przyspieszenie ziemskie równe 9,81; h-wysokość słupa cieczy; pn-ciśnienie odczytane z tabeli; pa-ciśnienie osmotyczne równe 101,3 kPa.

Ciśnienie wodoru liczymy, więc ze wzoru:

                               p = pa – pn – ρ g h

Za gęstość elektrolitu przyjmujemy gęstość wody, ponieważ stężenie kwasu siarkowego jest bardzo małe.

3.Wykonanie ćwiczenia:

ü     Najpierw należy wyczyścić dokładnie papierem ściernym obie strony katody miedziowej, spłukać strumieniem wody i wysuszyć dokładnie za pomocą suszarki.

ü     Po wyczyszczeniu ważymy katodę na wadze elektrycznej z dokładnością do 10mg.

ü     Oba cylindry napełniamy całkowicie roztworem H2SO4, zamykamy kartką papieru i odwracamy do góry dnem i wkładamy do wanny wypełnionej takim samym roztworem.

ü     Do każdego cylindra wsuwamy elektrodę i przymocowujemy do obwodu.

ü     Łączę obwód według rys.1 i podłączam do prądu.

ü     Po wydzieleniu się ok. 100 cm3 wodoru wyłączam napięcie.

ü     Odczytuję obj. wydzielonego wodoru i mierzę wysokość słupka elektrolitu wzgłędem poziomu cieczy.

ü     Wyjmuję katodę miedziową, spłukuję wodą i po wysuszeniu ważę.

ü     Obliczam masę wydzielonej miedzi i masę wydzielonego wodoru.

ü     Obliczam wartość równoważnika chemicznego miedzi.

WNIOSKI:

Wartość wyznaczonego równoważnika chemicznego różni się od wartości tablicowej. Różnica tych wartości prawdopodobnie mogła wyniknąć z warunków doświadczalnych. Wpływ na wynik mogły mieć:

-         niedokładne zważenie katody miedzianej

-         niedokładne odczytanie objętości wydzielonego wodoru

-         dostanie się do cylindra pęcherzyków powietrza

-         niedokładny pomiar temperatury i ciśnienia atmosferycznego

-         zaokrąglanie wyników podczas obliczeń

-         fakt, że stosunek objętości wydzielonego wodoru do objętości wydzielonego tlenu

      nie wynosiła 2:1