Sprawozdanie 35 Elektroliza PDF

Preview

Summary

Sprawozdanie 35 elektroliza...

Description

Wy d z i a ł WF i I S PRACOWNIA FIZYCZNA WFiIS AGH Da t awy k o n a n i a 1 7 . 1 0 . 2 0 2 0

I mi ęi n a z wi s k o 1 . Ma j aKa r c z ma r c z y k 2 . Ma r c i nSt o l a r c z y k T e ma t : El e k t r o l i z a

Da t ao d d a n i a 1 8 . 1 0 . 2 0 2 0

Ro k I I

Z wr o t d op o p r . Da t ao d d a n i a

Gr u p a

Z e s p ó ł 1 2 Nrć wi c z e n i a 3 5

Da t az a l i c z e n i a

OCENA

Cel ćwiczenia : Wyznaczenie stałej Faradaya oraz równoważnika elektrochemicznego miedzi metodą elektrolizy. 1. Abstrakt : Celem ćwiczenia było wyznaczenie stałej Faradaya oraz równoważnika elektrochemicznego miedzi metodą elektrolizy. Wykorzystano do tego naczynie do elektrolizy siarczanu(VI) miedzi(II), zasilacz napięcia stałego, amperomierz, opornice suwakową i wagę elektroniczną. Zauważono ubytek masy anod i zwiększenie się masy katody po 30 min elektrolizy. Korzystając ze zmiany mas miedzianych płytek można obliczyć równoważnik elektrochemiczny oraz stała Faradaya. 2. Wprowadzenie: 2.1 Elektroliza : Jest to rozpad na jony związku chemicznego podczas rozpuszczania tego związku w rozpuszczalniku (np. woda, alkohole). Roztwór otrzymany podczas tego procesu nazywamy elektrolitem. Elektrolity są dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego. Stanowią one przeważnie wodne roztwory kwasów, zasad oraz soli. 2.2 Wzory:  Masa substancji wydzielonej na elektrodzie ( I prawo elektrolizy Faradaya) : (Wzór 1) m=kIt lub m=kQ , gdzie: Q – ładunek elektryczny k- współczynnik elektrochemiczny I- Natężenie prądu t- czas przepływu prądu  Współczynnik proporcjonalności (wzór2): μ k= we N A , gdzie: μ – masa molowa atomu 1 N A = 6,02 * 1023 – liczba Avogadra mol w – wartościowość jonu Cu2+ e – ładunek elementarny  Stała Faradaya: (Wzór 3)

F=

μ we

Wartość tabelaryczna wynosi : F= eNA = 96500 C – jest to ilość elektryczności potrzebna do wydzielenia gramorównoważnika dowolnej substancji  Wartość tabelaryczna stałej Faradaya: ( Wzór 4) F= eNA

2.2 Układ pomiarowy : 1. Naczynie do elektrolizy siarczanu(VI) miedzi(II) z miedzianymi elektrodami w kształcie równoległych płyt, oddalonych od siebie o kilka centymetrów ( Rys.1) 2. Zasilacz napięcia stałego 3. Amperomierz – służy do pomiaru prądu 4. Opornica suwakowa 5. Waga elektroniczna – służy do określenia masy elektrod

Rysunek 1 Schemat obwodu elektrycznego

Aparatura i dane określające niepewność przyrządów: Klasa amperomierza : 50 % Używany zakres amperomierza : 0,75A Niepewność graniczna wagi (znamionowana) : △ m=¿ 0,001g △m =√ 2 g Niepewność standardowa wagi : u ( m )= √3 Niepewność standardowa stopera : 0,01s 3. Wyniki pomiarów: Tabela 1 Wyniki pomiarów wykonanych podczas doświadczenia

Czas elektrolizy Natężenie prądu Masa katody elektrolizą Masa katody

Oznaczenie T I mk przed po

mk '

wartość 30 min 0,55 A 76,841g 77,174g

elektrolizie Masa wydzielonej miedzi Masa anod przed elektrolizą

m w =m k ' − m k

0,333g

ma 1 ma 2

114,022g 110,612g

Masa anod po elektrolizie

m a 1' ma 2 '

113,862g 110,441g

Zmiana masy anod

m za 1=m a 1−m a 1 ' m za 2=m a 2−m a 2 '

0,160g 0,171g

4. Opracowanie wyników : a) Obliczono masę miedzi wydzielonej podczas elektrolizy na katodzie korzystając m w =m k ' − m k ze wzoru : , gdzie mk’ - zmiana masy katody po elektrolizie Masa wydzielonej miedzi podczas elektrolizy na katodzie: m w =77,174 g −76,841 g =0,333 g b) Obliczono zmianę masy anod podczas elektrolizy korzystając ze wzoru: m za =ma −ma ' , gdzie ma’- masa anody po elektrolizie Zmiana masy anody 1 podczas elektrolizy na katodzie: m za 1=114,022 g−113,862 g=0,16 g Zmiana masy anody 2 podczas elektrolizy na katodzie: m za 2=110,612 g−110,441 g=0,171 g Suma zmiany masy obydwu anod : m za=ma 1 + m a 2=0,16 g+ 0,171 g= 0,331 g c) Obliczono wartość współczynnika elektrochemicznego k miedzi korzystając ze wzoru 1. Po przekształceniu wzoru: m g k = w =0,000336 C I∙t d) Korzystając z otrzymanej wartości współczynnika k obliczono eksperymentalną wartość stałej Faradaya przy pomocy wzoru 3. C F = 94 613 mol e) Posługując się wyznaczona doświadczalnie stałą Faradaya obliczono następnie wielkość ładunku elementarnego, korzystając ze wzoru 4. Po przekształceniu otrzymano: F =1,57∗10−19 C e= NA Niepewność pomiarów : 1) Masy: anody 1- 114,022g ; anody 2 – 110,612g ; katody – 76,841g Niepewność pomiaru masy jest związana z niepewnością standardową wagi, która w tym doświadczeniu wyniosła u(m) = 0,00057g. Biorąc pod uwagę czynniki tj. niedokładne wysuszone, niedokładne przepłukane wodą destylowaną bądź niedokładne oczyszczone papierem ściernym elektrody, zdecydowaliśmy się zwiększyć niepewność do u(m’)=0,002g.

2) Wartość pomiaru ładunku elektrycznego Q, który przepłynął przez elektrolit: Niepewność wyznaczenia ładunku elektrycznego obliczono korzystając z prawa przenoszenia niepewności zgodnie ze wzorem: dQ 2 u( I) ¿ dI ¿ u ( Q )=√ ¿ u(I) – niepewność amperomierza, która została obliczona zgodnie ze wzorem u(I ) =

klasaamperomierza ∙ zakres 100

u ( I ) =0,00375 A

u ( Q )=¿ 6,75 C 3) Równoważnika elektrochemicznego miedzi k: Złożona niepewność względna równoważnika miedzi k obliczona została ze wzoru:

u ( k) k

u ( m) m = ¿ ¿ ¿ √¿

=

√

[

0,002 2 0,00375 2 ] +[ ] 0,333 0,55

Niepewność względna równoważnika elektrochemicznego miedzi k wynosi: u (k ) k

= 0,9%

Niepewność bezwzględna równoważnika elektrochemicznego miedzi k wynosi: u ( k ) =¿ 0,000003 g/C 4) Stałej Faradaya F: Niepewność stałej Faradaya obliczono korzystając ze wzoru:

u (F) F

=

u( µ) µ ¿ ¿ ¿ √¿

Niepewność wartości tablicowej µ jest pomijalnie mała, dlatego też

u (F) u( k) = [ ] F k F∗u(k ) u ( F )= k

√

2

=

u (k ) k

u ( F ) =¿ 850 C/mol

5) Ładunku elementarnego e: Niepewność wyznaczonego ładunku elementarnego e obliczono korzystając ze wzoru:

u (e) e

u ( F) F = ¿ ¿ ¿ √¿

Niepewność wartości tablicowej NA jest pomijalnie mała dlatego też niepewność ładunku elementarnego e możemy wyrazić wzorem: u(F) F ¿ ¿ = ¿ u (e) =√ ¿ e u ( e) =

u (F) F

=

u (k ) k

e∗u(k) k −19

u ( e ) =0,01 ∙10

C

Zestawienie wyników: Tabela 2 Zestawienie wyników

Wartość tablicowa k [ mg/C ] F [ C/mol] e [C]

0,3294 96 500 1,6 ∙ 10-19

Wartość wyznaczona eksperymentalnie 0,336 94 613 1,57 * 10-19

różnica

Niepewność

Niepewność względna (%)

0,0066 1 887 0,03 * 10-19

0,003 850 0,01 * 10-19

0,9% 0,9% 0,9%

Uzyskane wyniki podczas doświadczenia mieszczą się w zakresie niepewności pomiarowej oraz są podobne do wyników tablicowych. 5. Wnioski :

Wynikiem elektrolizy roztworu siarczanu(VI) miedzi(II) CuSO4, przy użyciu 8528miedzianych elektrod jest wydzielenie się pewnej ilości miedzi na katodzie i ubytek takiej samej ilości na anodach (na jednej anodzie jest to połowa masy wydzielonej miedzi). Równoważnik elektrochemiczny wyznacza się dzięki masie wydzielonej na katodzie, natężenie prądu oraz czas jego przepływu (wzór 1). Stała Faradaya można policzyć ze wzoru 3, dzięki obliczeniu k ze wzoru 1. Natomiast z związku wynikającego z wzoru 4 można wyliczyć ładunek elementarny. 6. Literatura 1. A. Zięba ,,Pracownia fizyczna Wydziału Fizyki Techniki Jądrowej AGH’’ część 1. 2. M. Borowska „ Statystyka. Materiały pomocnicze dla studentów do nauki statystyki.”...