23.doc

Wojskowa Akademia Techniczna

im. Jarosława Dąbrowskiego

Laboratorium Fizyki Ogólnej

Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego

Nr 23

Tytuł: Wyznaczanie elektrochemicznego równoważnika miedzi oraz stałej Faradaya

Wykonał: Michał Trzaska              

Grupa: E04D8

I.                   WSTĘP TEORETYCZNY

Elektrolity to substancje , w których występują wiązania jonowe. Są to roztwory soli, kwasów i zasad w wodzie lub innych rozpuszczalnikach, stopione sole oraz wodorotlenki metali alkalicznych.

              Dysocjacja to proces rozerwania wiązania jonowego i utworzenie swobodnych elektronów. Swobodne jony zdolne są do przewodzenia prądu. Nośnikami prądu w elektrolitach są jony o dużej masie.

Jony możemy podzielić na dodatnie (kationy) np. H+ oraz ujemne (aniony) np.jony reszt kwasowych (S).

Przykład procesu dysocjacji:

NaClà

Procesem odwrotnym do dysocjacji jest rekombinacja.

Stosunek liczby cząsteczek zdysocjowanych ND do ogólnej liczby cząstek rozpuszczonych wynosi:

i nazywany jest stopniem dysocjacji.

Dla mocnych elektrolitów à0,8<<1

Dla średnich elektrolitów  à=0,5

Dla słabych elektrolitów   à<0,01

              Gdy zanurzymy w roztworze dwie elektrody połączone ze sobą źródłem napięcia, na jony działają siły elektrostatyczne. Kationy zmierzają więc do KATODY (elektrody o potencjale ujemnym) a aniony do ANODY (elektrody o potencjale dodatnim). W elektrolicie płynie prąd. Za kierunek prądu przyjmujemy ruch kationów.

              Elektroliza to całość zjawisk zachodzących przy przepływie prądy elektrycznego przez elektrolity.              

              W wyniku elektrolizy siarczanu miedzi:

·         gdy elektrody są węglowe lub platynowe na katodzie wydziela się miedź metaliczna, a na anodzie – tlen

·         gdy elektrody są miedziane na katodzie wydziela się miedź metaliczna, a na anodzie –                nowa drobina

Prawa Faradaya określają ilość substancji wydzielających się w czasie elektrolizy na elektrodach.

I prawo Faradaya:

M=kQ                lub             m=kIt        ,

Gdzie:

I – natężenie prądu;

T – czas

K – równoważnik elektromechaniczny

Wielkość wydzielanej masy na elektrodach jest wprost proporcjonalna do ładunku Q, który przepłynął przez elektrolit.

Jeżeli :

              -ładunek jonu

-liczba wydzielonych jonów

              - masa pojedynczego jonu

to:

     m=        oraz           

z czego wynika, że:

                         m=

i wówczas:

                          K=               

Wielkość masy pojedynczego jonu  można obliczyć wiedząc, że liczba Avoogadra jonów waży tyle gramów, ile wynosi ciężar atomowy (bądź cząsteczkowy) jonu:

gdzie: M – masa molowa jonu

Stwierdzamy więc, że jony o wartościowości równej w (w=1,2,3,...) posiadają ładunek elektryczny dodatni lub ujemny, równy co do wielkości ładunkowi w elektronów, tzn.:

      ( jest to sens II prawa Faradaya)

Na podstawie powyższych zależności zapisujemy:

  - gramorównoważnik

-stała Faradaya

                                             I i II prawo Faradaya

więc:             

W ćwiczeniu wyznaczam równoważnik elektrochemiczny miedzi i stałą Faradaya, przeprowadzając elektrolizę wodnego roztworu .

              Mierząc natężenie prądu i czas trwania elektrolizy, a następnie określając ilość wydzielonej miedzi (poprzez zważenie elektrody przed i po wykonaniu doświadczenia), można po podstawieniu tych wartości do odpowiednich wzorów (znajdujących się powyżej) uzyskać szukane wartości liczbowe dla równoważnika elektrochemicznego miedzi oraz stałej Faradaya .

Do przeprowadzenia elektrolizy wykorzystujemy układ elektryczny składający się z elektrolizera, amperomierza prądu stałego, klucza do zamykania i przerywania prądu , źródła prądu stałego (zasilacza) oraz rezystora suwakowego do regulacji natężenia prądu w obwodzie.

Elektrolizer to prostopadłościenne naczynie szklane, w którym elektrodami są płaskie blachy miedziane. Obie elektrody zanurzone są w roztworze .

II. WYNIKI POMIARÓW I OBLICZEŃ

Waga elektrody przed elektrolizą m1 = 82,1 g

Waga elektrody po elektrolizie m2 = 82,3 g

Czas t = 30 minut

Δm=0,1 g

ΔI = 0,01 [A]

a)     Obliczam ilość substancji wydzielonej na elektrodzie podczas elektrolizy:

m= m2-m1

m1 = 82,1 g

m2 = 82,3 g

m =82,3 g -82,1 g

m = 0,2g

b)     Obliczam ładunek Q, który przepłynął przez elektrolit:

Q=It

I=0,197A

t=30 minut =30  60s = 1800 s

Q =0,197   1800= 356 C

c)      Obliczam współczynnik k (równoważnik elektromechaniczny)

m=kQ

d)    

Obliczam stałą  Faradaya:

e)      Obliczam błąd Dm, DI, Dt:

Dm=Dm1+Dm2      czyli Dm=0,01+0,01=0,02g;

DI=0,1A;

Dt=1s;

f)      

Obliczam graniczny błąd względny i bezwzględny równoważnika elektromechaniczny:

  - błąd względny

                    - błąd bezwzględny

g)     Obliczam graniczny błąd względny i bezwzględny stałej Faradaya F:

- błąd względny

- błąd bezwzględny

III. WNIOSKI

W danym ćwiczeniu laboratoryjnym mieliśmy za zadanie wyznaczyć wielkości

·         równoważnika elektromechanicznego miedzi

·         stałej Faradaya.

Powyższe wielkości otrzymaliśmy za pomocą I i II prawa Faradaya, oraz masy wydzielonej na elektrodach, natężenia prądu i czasu trwania elektrolizy.

W roztworze wodnym siarczanu miedzi (CuSO4) na skutek dysocjacji rozpada się na dwa jony : dodatni Cu++ i jony ujemne reszty kwasowej SO4--. Pod wpływem pola elektrycznego , które wytwarza się pomiędzy katodą i anodą, kationy Cu++ wędrują do katody i osadzają się na niej, aniony SO4-- odpowiednio do anody.

Błędy pomiarowe nie wpłynęły znacząco na wynik:

·         równoważnika elektromechanicznego miedzi                                                                      , a wartość

tablicowa jest równa 0,329             . Błąd względny jest równy aż 70% równoważnika

elektromechanicznego.

·        

stałej Faradaya                                                             , a wartość tablicowa jest równa               96484 [C/gramorównoważnik]. Błąd względny jest równy blisko 41% stałej Faradaya.

Po wykonaniu ćwiczenia możemy stwierdzić, że popełnione błędy, które są błędami spowodowanymi niedoskonałością aparatury, jak również niedokładnością odczytu spowodowały bardzo duże odstępstwa od stałych tablicowych.