Ćwiczenie nr 35: Elektroliza

Transkrypt

1 Wydział PRACOWNIA FIZYCZNA WFiIS AGH Imię i nazwiso 1.. Temat: Ro Grupa Zespół Nr ćwiczenia Data wyonania Data oddania Zwrot do popr. Data oddania Data zaliczenia OCENA Ćwiczenie nr 35: Eletroliza Cel ćwiczenia Wyznaczenie stałej Faradaya oraz równoważnia eletrochemicznego miedzi metodą eletrolizy. Zagadnienia do opracowania 1. Jaie są różnice w opisie przewodnictwa eletrycznego metali i eletrolitów? Opisz, na czym polega proces eletrolizy. Ocena i podpis. Podaj prawa eletrolizy Faradaya. 3. Jaą masę substancji wydzieli podczas przepływu przez eletrolit prąd o natężeniu 1 ampera w czasie jednej seundy? Podaj nazwę tej wielości. 4. Wyjaśnij na przyładzie pojęcia: masa molowa, wartościowość, ation, anion, atoda, anoda. 5. Zdefiniuj pojęcia: 1 amper, 1 wolt i 1 ulomb. Wyraź te jednosti za pomocą jednoste podstawowych uładu SI. 6. W jai sposób (szeregowo czy równolegle) należy włączyć amperomierz do obwodu? Dlaczego? 7. Ile atomów miedzi osadzi się na eletrodzie po przepłynięciu przez eletrolit ładunu eletrycznego równego stałej Faradaya? 8. Ładune eletryczny Q jest iloczynem natężenia prądu I oraz czasu t: Q = I t. Korzystając z prawa przenoszenia niepewności oszacuj niepewność wyznaczenia ładunu z pomiarów I i t. 1

2 1. Uład pomiarowy 1. Naczynie do eletrolizy siarczanu miedzi CuSO 4 z miedzianymi eletrodami w ształcie równoległych płyt, oddalonych od siebie o ila centymetrów (rys. 1).. Zasilacz napięcia stałego 3. Amperomierz 4. Opornica suwaowa 5. Waga eletroniczna Rys. 1. Schemat obwodu eletrycznego.. Wyonanie ćwiczenia 1. Połącz obwód zgodnie z podanym schematem. Należy zwrócić uwagę na biegunowość (polaryzację) połączeń, np. zacis + zasilacza winien być połączony z gniazdem + amperomierza. Ustawić amperomierz na zares 0,75 A. Środowa eletroda (atoda) winna być połączona z zacisiem zasilacza, zewnętrzne eletrody (anody połączone przewodem) łączymy z zacisiem +.. Oczyść (przy użyciu papieru ściernego i wody destylowanej) atodę i zważ ją na wadze eletronicznej. Przed ważeniem należy usunąć z płyti urz, przez przemycie wodą destylowaną, i starannie ją osuszyć (i ostudzić). 3. Jeżeli prowadzący zaleci ważenie anod (pozostałych eletrod) należy wyonać pomiar ich masy w analogiczny sposób ja dla atody. 4. Umocuj atodę (i anody) w uchwycie i następnie zanurz eletrody w eletrolicie. 5. Po sprawdzeniu obwodu przez prowadzącego zajęcia i podaniu czasu trwania eletrolizy (zazwyczaj 30 minut) oraz wartości natężenia prądu (prąd stały o natężeniu ooło 0,5 A) włącz zasilacz i równocześnie uruchom stoper. Przy pomocy opornicy suwaowej ustal zadaną wartość natężenia prądu. 6. Podczas trwania eletrolizy ontroluj i ewentualnie oryguj (za pomocą opornicy suwaowej) natężenie płynącego przez eletrolit prądu. 7. Po upływie zadanego czasu eletrolizy wyłącz zasilacz, wyjmij eletrody z woltametru i

3 wymontuj atodę. Celem usunięcia ewentualnego osadu deliatnie przepłucz ją wodą destylowaną, a następnie starannie wysusz przy użyciu suszari w niewielim strumieniu powietrza. Podczas tych czynności należy uniać dotyania powierzchni atody, na tórej osadziła się miedź, ponieważ może ona zostać łatwo starta z eletrody. 8. Zważ atodę. 9. Jeżeli w tym ćwiczeniu ważone były anody to również należy je zważyć po zaończeniu eletrolizy. 3. Wynii pomiarów czas eletrolizy t =.. min natężenie prądu I =.. A masa atody przed eletrolizą m 1 =.. g masa atody po eletrolizie m =.. g masa wydzielonej miedzi m = m m 1 =.. g masa anod przed eletrolizą M 1 =.. g masa anod po eletrolizie M =.. g zmiana masy anod M = M 1 M =.. g Dane oreślające niepewność przyrządów: Klasa amperomierza... Używany zares amperomierza Niepewność graniczna wagi (znamionowa) m = Niepewność standardowa wagi m m) = =

4 4. Opracowanie wyniów Masa miedzi wydzielonej podczas eletrolizy na atodzie m = Zmiana masy anod podczas eletrolizy M = Oblicz wartość współczynnia eletrochemicznego miedzi wyorzystując wzór (3) = Korzystając z otrzymanej wartości współczynnia oblicz, przy pomocy wzoru (5), esperymentalną wartość stałej Faradaya F = Posługując się wyznaczoną doświadczalnie stałą Faradaya oblicz wielość ładunu elementarnego e = OBLICZANIE NIEPEWNOŚCI POMIAROWEJ Uwaga: Zastanów się, jaą należy przyjąć wartość niepewności pomiaru masy atody (i ewentualnie anod). Na wielość tej niepewności może mieć wpływ przemywanie eletrod denaturatem. Niepewność ta może być również spowodowana zanieczyszczeniem eletrolitu i niedoładnym wysuszeniem eletrod. Biorąc pod uwagę te czynnii, z jaą doładnością (ile miejsc znaczących) należy podać masę osadzonej podczas eletrolizy miedzi? m = Niepewność pomiaru masy miedzi wydzielonej podczas eletrolizy przyjmuję jao m) = Oblicz niepewność wartości ładunu eletrycznego, tóry przepłynął przez eletrolit. W tym celu oblicz niepewność pomiaru natężenia prądu wiedząc, że jest ona równa I) = (lasa amperomierza zares) / 100 = Q) = Oszacuj niepewność pomiaru czasu. W zależności od oceny wielości tej niepewności można: a) uwzględniać ją w dalszych obliczeniach albo też b) uznać, że ze względu na małą wartość niepewności pomiaru czasu (niepewność procentowa równa...%) jest ona zaniedbywalnie mała w porównaniu z np. niepewnością pomiaru masy i pominąć ją w dalszych obliczeniach. 4

5 m Ponieważ równoważni eletrochemiczny miedzi obliczyliśmy z wzoru = w tórym I t występują tylo operacje mnożenia i dzielenia, złożona niepewność względna jest sumą geometryczną niepewności względnej czynniów wzoru funcyjnego, = m) m I) + I t) + t, (patrz Opracowanie wyniów pomiarów, pt. 1.5, wzór 1.15). Jeżeli w obliczeniach nie jest uwzględniana niepewność pomiaru czasu, pomijamy stosowny sładni we wzorze. Niepewność względna i bezwzględna równoważnia eletrochemicznego miedzi wynosi / =... = Stała Faradaya oraz ładuneu elementarny obliczane są z wzorów (4) i (5), w tórych obarczona niepewnością wartość jest mnożona (lub dzielona) przez tablicowe wartości N A oraz e, tórych niepewności są pomijalnie małe. Z prawa przenoszenia niepewności względnej wynia, że niepewności względne F)/F oraz e)/e są taie same, ja obliczona poprzednio niepewność /. Formalnie, wynia to z wyprowadzenia (dla wzoru (4)): u ( F) µ ) = = F + =. µ Innymi słowy, jeżeli niepewność względna wynosi, na przyład,,6 %, to z tą samą niepewnością względną znamy wartości zarówno F ja i e). Zatem niepewności bezwzględne stałej Faradaya i ładunu elementarnego obliczyć można jao F) = F i e) = e F) = e) = Uzysane wynii zestaw w tabeli. [ ] wartość tablicowa wartość wyznaczona w esperymencie różnica niepewność niepewność względna [%] F [ ] e [ ] 5

6 Uwaga: Jeżeli podczas wyonywania ćwiczenia ważone były anody należy obliczyć zmianę masy anod. Można przyjąć, że niepewność pomiaru masy anod M) jest równa co do wartości niepewności m). Proszę porównać zmianę masy anod ze zmianą masy atody. Czy wielości te są równe w granicach niepewności? Czy na podstawie uzysanych wyniów pomiarowych można sformułować prawo zachowania masy? Wniosi: 6