Wyznaczanie parametrów równania Tafela w katodowym wydzielaniu metali na elektrodzie platynowej

Transkrypt

1 Ćwiczenie 2. Wyznaczanie parametrów równania Tafela w katodowym wydzielaniu metali na elektrodzie platynowej 1. Przygotowanie do wykonania ćwiczenia Włączyć zasilacz potencjostatu i nastawić go na około 6V. Rys. 1. Zasilacz potencjostatu 1.2. Przygotować pisak rejestratora do pracy (wykonuje prowadzący ćwiczenie) Przełącznik główny potencjostatu ((1) na rys. 3) przełączyć w pozycję ON 1.4. Włączyć rejestrator: obydwa przełączniki rejestratora (rys 4) w pozycję ON 1.5. Zamocować kable zasilające do zacisków elektrod zgodnie ze schematem na rys 2.: Rys 2. Sposoby przyłączenia elektrod do gniazda potencjostatu. (A) w trybie rejestracji linii zerowej, (B) w trybie rejestracji woltamogramu, (C) schemat podłączenia zasilania do elektrod.

2 Rys. 3. Panel sterowania potencjostatu. (1) włącznik główny, (2) przełącznik kierunku polaryzacji, (3) przełącznik wyboru szybkości polaryzacji (4) przełącznik trybu pomiaru, (5) kontrolka trybu pomiaru, (6) Włącznik czasowej zmiany potencjału, (7) wskaźnik przyłożonego potencjału, (8) przełącznik zakresu zmian potencjału, (9) wskaźnik poziomu zasilania zewnętrznego, (10) Pokrętło nastawy potencjału początkowego. Rys. 4. Widok włączników rejestratora w trybie rejestracji pomiaru. 2. Rejestracja wyników. Dla każdego z wyznaczonych do badania depolaryzatorów wykonać następujące czynności: 2.1. Przygotować układ elektrodowy. Elektrody należy wymoczyć w stężonym kwasie azotowym w stosunku 1:1 z wodą. Następnie przemyć je dokładnie wodą destylowaną i delikatnie osuszyć bibułą.

3 2.2. Przygotowanie naczynia pomiarowego Małą zlewkę umieścić na statywie układu elektrodowego tak by zestaw elektrodowy był w niej maksymalnie głęboko. Sprawdzić czy kable zasilające są stabilnie umocowane w zaciskach elektrod Wlać taką objętość badanego roztworu, aby obydwie elektrody były zanurzone Rejestracja linii zerowej. Linia zerowa wskazuje położenie na wykresie prądu zerowego (0,0 A). W celu zarejestrowania linii zerowej należy: - wpiąć przewód katody do gniazda, gniazdo anody powinno pozostać puste (patrz rys. 2A), - ustawić pisak rejestratora w odpowiednim miejscu papieru rejestracyjnego i opuścić piórko na papier. - przełączyć przycisk ((6) rys.3) w pozycję OFF - zainicjować rejestracje wciskając przycisk ((4) rys. 3) - kontrolka ((5) rys. 3) zapali się, a rejestrator zacznie przesuwać papier. Po zarejestrowaniu kilkucentymetrowej linii zerowej należy podnieść pisak rejestratora, a następnie wcisnąć ponownie przycisk ((4) rys. 3). Rejestrator zatrzyma przesuw papieru, a kontrolka ((5) rys. 3) zgaśnie Rejestracja woltamogramu. Woltamogram to wykres na którym zarejestrowane są zmiany prądu w funkcji zmieniającego się w czasie potencjału. (patrz rys. 5) Ustawienie parametrów pomiaru Przed przystąpieniem do rejestracji woltamogramu należy wybrać parametry polaryzacji elektrod. Na panelu sterowania potencjostatu (rys. 3) należy: - pokrętłem (8) wybierać zakres zmian potencjału - przełącznikiem (2) określić kierunek zmian potencjału (rosnący lub malejący) - przełącznikiem (3) ustawić wartość szybkości polaryzacji elektrody roboczej (wartości białe dla zakresów białych przy pokrętle (8), a czerwone dla czerwonych) - za pomocą pokrętła (8) ustawić wartość początkową potencjału, którą odczytujemy w okienku (7)

4 Wykonanie pomiarów Przystępując do rejestracji należy: - przesunąć papier rejestracyjny do pozycji dogodnej dla późniejszej analizy wyników. (t.j.: ustawić pisak dokładnie na jednej z linii poziomych papieru rejestratora). Linia ta będzie wyznaczała wartość wybranego potencjału początkowego. - wpiąć przewód anody do gniazda jak na rys. 2B. - przełączyć przycisk ((6) rys.3) w pozycję ON - zainicjować rejestrację wciskając przycisk ((4) rys. 3) - kontrolka ((5) rys. 3) zapali się, a rejestrator zacznie przesuwać papier i pokrętło ((8) rys. 3) zacznie się obracać zgodnie z wybranym kierunkiem. W okienku ((7) rys. 3) należy śledzić zmieniający się potencjał i zaznaczyć na taśmie rejestratora moment osiągnięcia konkretnego potencjału (np. 0,1V). Rejestrację kontynuować do momentu gdy pisak znajdzie się w 3/4 drogi do przeciwległej krawędzi papieru. Następnie należy: - podnieść pisak rejestratora ponad papier, - zatrzymać rejestracje wciskając przycisk ((4) rys. 3) - wypiąć kabel anody z gniazda. Po wykonaniu pomiarów opróżnić i przemyć wodą destylowaną naczynie pomiarowe. Opisać swój fragment taśmy rejestracyjnej (wpisać parametry rejestracji, substancję, swoje imię i nazwisko). Nie odcinać wykresów z taśmy rejestratora aż nie zezwoli na to prowadzący ćwiczenie.

5 Analiza wyników doświadczenia 1. Z zarejestrowanych krzywych odczytać dane do sporządzenia woltamogramów, tj.: Wartości prądu i (w Amperach) dla danego potencjału katody E k (w Woltach). Wskazówki patrz rys. 5. Przy założeniu stałości potencjału anody, przyłożone napięcie jest równe potencjałowi katody. Zgodnie z obowiązującą konwencją potencjał katodowy przyjmuje wartości ujemne i prąd katodowy również powinien zostać oznaczony jako ujemny. Fakt ten należy uwzględnić przy sporządzaniu wykresów jak również przy obliczeniach. Rys 5. Sposób interpretacji zarejestrowanych krzywych

6 2. Wykreślić wykresy woltametryczne ( i = f(e k ) ) 3. Na podstawie wykreślonych woltamogramów wyznaczyć wartość potencjałów rozkładowych badanych depolaryzatorów na elektrodzie platynowej: Nr próbki Roztwór badany Potencjał rozkładowy [V] 4. Wyznaczenie Stałych równania Tafela. W przypadku przeprowadzonych pomiarów założyć możemy, że potencjał anody jest stały, a przyłożone do elektrod napięcie U jest równe nadpotencjałowi wydzielania danego jonu na katodzie platynowej. Zakładając dalej, że powierzchnia katody jest w przybliżeniu równa 1 cm 2, obliczyć można wartości nadpotencjału ( ) i gęstości prądowej (J) potrzebne do wykreślenia zależności = f( lnj). [V] J [A m -2 ] ln J Zgodnie z definicją nadpotencjałem (nadnapieciem) ( ) określana jest różnica potencjału elektrody mierzonego w warunkach przepływu prądu (E i ) a wartością potencjału równowagowego (E r ). = E i E r (4-1)

7 Potencjał równowagowy należy w tym przypadku obliczyć z równania Nernsta dla danej reakcji elektrodowej. anoda: 2H 2 O O 2 + 4H e - E a = -1,23V katoda: Me n+ + ne - M E k = E + (0,0591 log[c i ])/n E r = E a + E k. (4-2) gdzie: E a i E k potencjały półogniwa anodowego i katodowego, E potencjał standardowy półogniwa, C i stężenie jonów metalu, n liczba elektronów biorących udział w reakcji półogniwa. Zgodnie z konwencją dla reakcji anodowej > 0, natomiast dla reakcji katodowej < 0. Gęstość prądowa J jest obliczana z zależności: J = i / S (4-3) gdzie: i natężenie prądu [A], S powierzchnia elektrody [m 2 ] Dla znacznej polaryzacji katodowej równanie Tafela ma postać: RT RT ln J 0 ln J (4-4) zf zf Gdzie: - współczynnik przeniesienia ładunku w procesie katodowym, z ładunek kationu, J 0 gęstość prądu wymiany. W konsekwencji dla obszaru znacznych polaryzacji powinniśmy otrzymać liniowy wykres zależności nadnapięcia od logarytmu gęstości prądowej. Analiza regresji odcinka liniowego krzywej = f(lnj) pozwala obliczyć wartości współczynników a i b równania: = a + b lnj. (4-5) Dalej korzystając z zależności (4-4) i (4-5) obliczamy wartości współczynnika przeniesienia ładunku oraz gęstość prądu wymiany. Najważniejsze wyznaczone i obliczone wartości zestawić w tabeli: Nr Roztwór Ładunek Potencjał Potencjał Gęstość prądu próbki badany kationu równowagowy rozkładowy wymiany z E r [V] E decay [V] J 0 [A m -2 ] Współczynnik przeniesienia ładunku

8 Sprawozdanie z wykonania ćwiczenia: Sprawozdanie z wykonana ćwiczenia nr 2. Wyznaczanie stałych równania Tafela Imię i Nazwisko wykonującego Kierunek i rok Studiów Data wykonana ćwiczenia. 1. Część teoretyczna (max. 2 strony nie przepisywać książek) 2. Literatura (autor, tytuł, wydawnictwo, rok wydania, rozdział, strony) 3. Cel wykonania ćwiczenia. 4. Opis wykonania ćwiczenia ( piszemy w pierwszej osobie, opisując dokładnie takie czynności jakie zostały wykonane nie przepisywać opisu wykonania!!!) 5. Tabela parametrów pomiaru: Roztwór 1 Roztwór 2 Roztwór... Roztwór n Roztwór Stężenia depolaryzatora Szybkość zmian polaryzacji [mv s -1 ] Potencjał początkowy [V] Przesuw taśmy E [V cm -1 ] 6. Część obliczeniowa 7. Wnioski