1.    Teoria

Elektrolitem nazywamy substancję zawierającą ruchome jony, dzięki czemu może ona przewodzić prąd elektryczny. Elektrolitami są roztwory ( najczęściej wodne ) kwasów, zasad i soli oraz roztopione kryształy jonowe.

Przy rozpuszczaniu w wodzie soli, kwasów lub zasad ich cząsteczki ulegają dysocjacji elektrolitycznej, która polega na rozpadzie cząsteczek na jony w wyniku reakcji z rozpuszczalnikiem. Miarą dysocjacji jest stopień dysocjacji elektrolitycznej substancji:

a = n ¸  N

gdzie:

n – liczba cząsteczek zdysocjowanych

N – liczba wszystkich cząsteczek w roztworze

Wartość a może wynosić od 0 ( brak dysocjacji ) do 1 ( pełna dysocjacja ) i zależy od wielu czynników ( np. : rodzaju rozpuszczalnika, rozpuszczanej substancji, stężenia roztworu, temperatury roztworu ). Stosownie do tego czy a jest bliskie zera czy jedności rozróżnia słabe i mocne elektrolity.

              Równocześnie z dysocjacją zachodzi zjawisko rekombinacji, polegające na łączeniu się jonów w cząsteczki. Stopień dysocjacji jest wynikiem równowagi dynamicznej między zjawiskami dysocjacji i rekombinacji.

              Przepływowi ładunku elektrycznego towarzyszy zjawisko elektrolizy, polegające na rozkładzie elektrolitu  i wydzieleniu się substancji na elektrodach. Zjawisko elektrolizy opisują ilościowo prawa Faraday’a.

·       I PRAWO FARADAY’A mówi, że masa m substancji wydzielonej na elektrodzie jest proporcjonalna do ładunku elektrycznego q, jaki przepłynął przez elektrolit.

m = k· q = k · I · t

gdzie:

t – czas przepływu prądu

k – równoważnik elektrochemiczny wydzielonej substancji

I – natężenie prądu płynącego przez elektrolit

·        II PRAWO FARADAY’A mówi, że wydzielenie masy jednego kilogramorównoważnika dowolnej substancji związane jest z przepływem zawsze tego samego ładunku, zwanego stałą Faraday’a.

A ¸ w = k · F

Gdzie:

R = A ¸ w

R – kilogramorównoważnik danej substancji

A – masa kilomola danej substancji ( dla Cu: A = 63,57 kg )

w – wartościowość jonowa ( dla Cu: w = 2 )

F = R ¸ k nazywamy stałą Faraday’a

2.    Cel i przebieg ćwiczenia oraz opis układu pomiarowego

Celem ćwiczenia jest pomiar równoważnika elektrochemicznego miedzi i stałej Faraday’a.

OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO:

·        Woltomierz miedziowy

·        Źródło napięcia stałego

·        Amperomierz prądu stałego

·        Opornica suwakowa

·        Waga analityczna

              Pomiar wartości równoważnika elektrochemicznego miedzi i stałej Faraday’a można wykonać przeprowadzając elektrolizę wodnego roztworu siarczanu miedziowego. W wyniku rozpuszczania w wodzie siarczanu miedziowego dysocjuje on ma dwudodatnie kationy Cu2+ i dwuujemne aniony SO42-.

CuSO4 « Cu2+ + SO42-

              W wyniku przepływu prądu, na elektrodach następują reakcje:

KATODA: Cu2+ +2 e ® Cu

ANODA: SO42- + Cu ® CuSO4 + 2 e

              Wynikiem przepływu prądu jest osadzanie się miedzi na katodzie i jednoczesne zmniejszanie się masy anody przy stałym stężeniu roztworu siarczanu miedzi. Niezmienność stężenia roztworu siarczanu miedzi ułatwia utrzymanie stałej wartości natężenia prądu elektrycznego płynącego przez elektrolit. Znając masę osadzonej na katodzie miedzi , wartość natężenia prądu płynącego w układzie oraz czas trwania elektrolizy można obliczyć równoważnik elektrochemiczny miedzi z równania:

k = m ¸ ( I · t )

a następnie stała Faraday’a z równania:

F = R ¸ k

PRZEBIEG EKSPERYMENTU:

·        Katodę starannie wyczyścić papierem ściernym i opłukać

·        Wysuszyć starannie katodę i zważyć ( m1 )

·        Połączyć układ

·        Zanurzyć obie elektrody w roztworze, zamknąć obwód, ustalić wartość natężenia prądu, zanotować wartość natężenia prądu ( I ) i czas ustalenia się prądu ( t )

·        Podczas przebiegu elektrolizy dbać o utrzymanie stałej wartości prądu

·        Po trzydziestu minutach wyjąć katodę, osuszyć i zważyć ( m2 )

·        Obliczyć i zapisać masę wydzielonej miedzi m = m2 – m1

·        Obliczyć równoważnik elektrochemiczny

·        Obliczyć stała Faraday’a

3.    Tabelka z pomiarami

4.    Obliczenia

m = m2 – m1

m = 0,0271 – 0,02653 = 0,00057 kg = 5,7 · 10-4 kg

k = m ÷ ( I · t )

k = 5,7 · 10-4  ÷ ( 0,9 · 20 ) = 5,7 · 10-4  ÷ 18 = 0,00003166 = 31,66 · 10-6 [ kg · A-1 · s-1 ]

F = R ÷ k

R = A ÷ w

A = 6,357 kg

w = 2

R = 6,357 ÷ 2 = 3,1785 kg

F = 3,1785 ÷ 3,166 · 10-5

F = 1,0039 · 105 [ C ]

5.    Rachunek błędu

Zasadniczy wpływ na pomiary miało dokładne zważenie katody i dokładne odczytanie wartości natężenia. W wyniku niedokładnego wykonania powyższych czynności powstają błędy pomiarowe. Przy ocenie błędów jako miarę błędu ważenia przyjmujemy czułość wagi laboratoryjnej, tzn. 0,01 g, błąd odczytu natężenia 0,1 A. Błąd dla czasu należy ocenić samodzielnie, wynosi on ok. 1 s. Błąd otrzymanej wartości równoważnika elektrochemicznego miedzi obliczymy metodą różniczki zupełnej.

·       Błąd bezwzględny:

| D k | = | ∂k ¸ ∂m | · Δm +  | ∂k ¸ ∂I | · ΔI + | ∂k ¸ ∂t | · Δt

Δm = 0,01 g = 0,00001 kg

ΔI = 0,1 A

Δt = 1 s

k = m ÷ ( I · t )

| ∂k ¸ ∂m | = | [ m’  · ( I · t ) – m · ( I · t )’ ] ÷ ( I · t )2 | = | I · t ÷ ( I · t )2 | = |1÷ ( I · t ) |

| ∂k ¸ ∂I | = | ( - m  · t )  ÷ ( I · t )2 | =  | -m · t ÷ ( I · t )2 | = | - m ÷ ( I2 · t ) |

| ∂k ¸ ∂t | = |  ( - m  · I )  ÷ ( I · t )2 | =  | -m · t ÷ ( I · t )2 | = | - m ÷ ( I · t2 ) |

| D k | =  |1÷ ( I · t ) | · Δm  + | - m ÷ ( I · t2 ) | · ΔI + | - m ÷ ( I · t2 ) | · Δt

| D k | =  |1÷ ( 0,9 · 20 ) |·0,00001 + |- 0,00057 ÷ ( 0,92 · 20 ) | · 0,1 + |...