Ćwiczenie 2. Charakteryzacja niskotemperaturowego czujnika tlenu. (na prawach rękopisu)



Podobne dokumenty
prof. dr hab. Małgorzata Jóźwiak

Czy równowaga jest procesem korzystnym? dr hab. prof. nadzw. Małgorzata Jóźwiak

Metody badań składu chemicznego

Wykład 2. Anna Ptaszek. 7 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 2. Anna Ptaszek 1 / 1

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 2 Temat: Wyznaczenie współczynnika elektrochemicznego i stałej Faradaya.

PODSTAWY CHEMII INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład 2

wykład 6 elektorochemia

PODSTAWY KOROZJI ELEKTROCHEMICZNEJ

K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

Akademickie Centrum Czystej Energii. Ogniwo paliwowe

Elektrochemia - prawa elektrolizy Faraday a. Zadania

11) Stan energetyczny elektronu w atomie kwantowanym jest zespołem : a dwóch liczb kwantowych b + czterech liczb kwantowych c nie jest kwantowany

Wrocław dn. 22 listopada 2005 roku. Temat lekcji: Elektroliza roztworów wodnych.

dla której jest spełniony warunek równowagi: [H + ] [X ] / [HX] = K

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki prądowo- napięciowej elektrolizera typu PEM,

VI Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2013/2014

Wodorotlenki. n to liczba grup wodorotlenowych w cząsteczce wodorotlenku (równa wartościowości M)

IX Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2016/2017. ETAP I r. Godz Zadanie 1 (11 pkt)

Elektrochemia - szereg elektrochemiczny metali. Zadania

Karta pracy III/1a Elektrochemia: ogniwa galwaniczne

Wykład 3. Fizykochemia biopolimerów- wykład 3. Anna Ptaszek. 30 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

Podstawy elektrochemii

Katedra Inżynierii Materiałowej

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

1. za pomocą pomiaru SEM (siła elektromotoryczna róŝnica potencjałów dwóch elektrod) i na podstawie wzoru wyznaczenie stęŝenia,

Polarografia jest metodą elektroanalityczną, w której bada się zależność natężenia prądu płynącego przez badany roztwór w funkcji przyłożonego do

Karta pracy IV/1a - Reakcje w roztworach: - rozpuszczanie, rozpuszczalność i krystalizacja

Laboratorium z Konwersji Energii. Ogniwo Paliwowe PEM

Materiały do zajęć dokształcających z chemii nieorganicznej i fizycznej. Część V

Ekstrakcja. Seminarium 7. 23/11/2015

Fragmenty Działu 8 z Tomu 1 PODSTAWY ELEKTROCHEMII

Odwracalność przemiany chemicznej

Podstawowe pojęcia 1

Różne dziwne przewodniki

Ć W I C Z E N I E N R E-16

Ćwiczenie 1: Wyznaczanie warunków odporności, korozji i pasywności metali

a. Dobierz współczynniki w powyższym schemacie tak, aby stał się równaniem reakcji chemicznej.

POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY. PRACOWNIA MATERIAŁOZNAWSTWA ELEKTROTECHNICZNEGO KWNiAE

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. RÓWNOWAGA CHEMICZNA

OCENA CZYSTOŚCI WODY NA PODSTAWIE POMIARÓW PRZEWODNICTWA. OZNACZANIE STĘŻENIA WODOROTLENKU SODU METODĄ MIARECZKOWANIA KONDUKTOMETRYCZNEGO

Obliczenia chemiczne. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Temat 7. Równowagi jonowe w roztworach słabych elektrolitów, stała dysocjacji, ph

POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

WYKŁAD 7. Diagramy fazowe Dwuskładnikowe układy doskonałe

ELEKTROGRAWIMETRIA. Zalety: - nie trzeba strącać, płukać, sączyć i ważyć; - osad czystszy. Wady: mnożnik analityczny F = 1.

Ć W I C Z E N I E 6. Nadnapięcie wydzielania wodoru na metalach

Cel główny: Uczeń posiada umiejętność czytania tekstów kultury ze zrozumieniem

OGNIWA GALWANICZNE I SZREG NAPIĘCIOWY METALI ELEKTROCHEMIA

ĆWICZENIE BADANIE WPŁYWU TEMPERATURY NA ROZPUSZCZALNOŚĆ TLENU W WODZIE

Wykład 5. przemysłu spożywczego- wykład 5

Kryteria oceniania z chemii kl VII

Chemia klasa VII Wymagania edukacyjne na poszczególne oceny Semestr II

Schemat ogniwa:... Równanie reakcji:...

Przewodnictwo elektryczne roztworów wodnych. - elektrolity i nieelektrolity.

10. OGNIWA GALWANICZNE

A4.05 Instrukcja wykonania ćwiczenia

AUTOMATYKA I POMIARY LABORATORIUM - ĆWICZENIE NR 13 WŁAŚCIWOŚCI METROLOGICZNE POTENCJOMETRYCZNYCH CZUJNIKÓW GAZOWYCH

10. OGNIWA GALWANICZNE

ROZTWORY. Mieszaniny heterogeniczne homogeniczne Roztwory - jednorodne mieszaniny dwóch lub wi cej składników gazowe ciekłe stałe

Potencjometryczna metoda oznaczania chlorków w wodach i ściekach z zastosowaniem elektrody jonoselektywnej

Obliczenia stechiometryczne, bilansowanie równań reakcji redoks

Nazwy pierwiastków: ...

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Celem dwiczenia są ilościowe oznaczenia metodą miareczkowania konduktometrycznego.

V KONKURS CHEMICZNY 23.X. 2007r. DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW WOJEWÓDZTWA ŚWIĘTOKRZYSKIEGO Etap I czas trwania: 90 min Nazwa szkoły

Ogniwo paliwowe typu PEM (ang. PEM-FC)

Ćwiczenie 2: Właściwości osmotyczne koloidalnych roztworów biopolimerów.

TŻ Wykład 9-10 I 2018

a) Sole kwasu chlorowodorowego (solnego) to... b) Sole kwasu siarkowego (VI) to... c) Sole kwasu azotowego (V) to... d) Sole kwasu węglowego to...

c. Oblicz wydajność reakcji rozkładu 200 g nitrogliceryny, jeśli otrzymano w niej 6,55 g tlenu.

X / \ Y Y Y Z / \ W W ... imię i nazwisko,nazwa szkoły, miasto

Realizacja wymagań szczegółowych podstawy programowej w poszczególnych tematach podręcznika Chemia Nowej Ery dla klasy siódmej szkoły podstawowej

TYPY REAKCJI CHEMICZNYCH

VIII Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2015/2016

CZUJNIK TLENOWY CT 2008P INSTRUKCJA OBSŁUGI

TEST NA EGZAMIN POPRAWKOWY Z CHEMII DLA UCZNIA KLASY II GIMNAZJUM

MIKRO- I NANO-SYSTEMY W CHEMII I DIAGNOSTYCE BIOMEDYCZNEJ MNS-DIAG

Reakcje chemiczne. Typ reakcji Schemat Przykłady Reakcja syntezy

Wymagania przedmiotowe do podstawy programowej - chemia klasa 7

PRACOWNIA FIZYKI MORZA

TEST PRZYROSTU KOMPETENCJI Z CHEMII DLA KLAS II

EGZAMIN MATURALNY Z CHEMII

Wymagania edukacyjne na poszczególne roczne oceny klasyfikacyjne z przedmiotu chemia dla klasy 7 w r. szk. 2019/2020

Równowagi w roztworach wodnych

(1) Przewodnictwo roztworów elektrolitów

PODSTAWOWE POJĘCIA I PRAWA CHEMICZNE

Realizacja wymagań szczegółowych podstawy programowej z chemii dla klasy siódmej szkoły podstawowej

Obwody prądu stałego. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12)Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

WOJEWÓDZKI KONKURS PRZEDMIOTOWY Z CHEMII DLA UCZNIÓW DOTYCHCZASOWYCH GIMNAZJÓW 2017/2018. Eliminacje szkolne

Spis treści. Wstęp... 9

Badania elektrochemiczne. Analiza krzywych potencjodynamicznych.

wodny roztwór chlorku cyny (SnCl 2 ) stężony kwas solny (HCl), dwie elektrody: pręcik cynowy i gwóźdź stalowy, źródło prądu stałego (zasilacz).

Konkurs przedmiotowy z chemii dla uczniów gimnazjów 13 stycznia 2017 r. zawody II stopnia (rejonowe)

Elektrochemia cz.1 Podstawy i jonika

III Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2010/2011. ETAP I r. Godz Zadanie 1

Zestaw do doświadczeń z elektrochemii [ BAP_ doc ]

NAPIĘCIE ROZKŁADOWE. Ćwiczenie nr 37. I. Cel ćwiczenia. II. Zagadnienia wprowadzające

Zagadnienia z chemii na egzamin wstępny kierunek Technik Farmaceutyczny Szkoła Policealna im. J. Romanowskiej

Zadanie 2. [2 pkt.] Podaj symbole dwóch kationów i dwóch anionów, dobierając wszystkie jony tak, aby zawierały taką samą liczbę elektronów.

Lista materiałów dydaktycznych dostępnych w Multitece Chemia Nowej Ery dla klasy 7

Transkrypt:

Ćwiczenie 2. Charakteryzacja niskotemperaturowego czujnika tlenu (na prawach rękopisu) W analityce procesowej istotne jest określenie stężeń rozpuszczonych w cieczach gazów. Gazy rozpuszczają się w cieczach w różnym stopniu. Rozpuszczalność ta zależy zarówno od rodzaju gazu jak i rozpuszczalnika oraz od warunków zewnętrznych takich jak temperatura i ciśnienie. Gazy o cząsteczkach polarnych rozpuszczają się lepiej w rozpuszczalnikach polarnych, natomiast gazy zbudowane z cząsteczek nie posiadających momentu dipolowego rozpuszczają się mniej więcej w takim samym stopniu we wszystkich rozpuszczalnikach. Ich rozpuszczalność jest tym wyższa im wyższa jest ich temperatura krytyczna. Rozpuszczalność gazów w cieczach określa się albo w g/dm 3 albo (częściej) przez podanie, tzw. współczynnika pochłaniania α zwanego również współczynnikiem Bunsena. Współczynnik ten definiuje się jako objętość gazu (V g ) w warunkach normalnych (T=273 K, p=1,013 10 5 Pa), która się rozpuści w jednostce objętości cieczy (V c ) pod ciśnieniem atmosferycznym: 1 [ ] = Vg α V p Pa (1) c Tab. 1. Współczynniki Bunsena wybranych gazów w temperaturze 293 K. rozpuszczalnik α 10 6 [Pa -1 ] H 2 He N 2 O 2 CO CO 2 H 2 S NH 3 HCl Woda O,17-0,15 0,28 0,25 7,6 26,8 7100 4420 Aceton 0,65 0,30 1,29 2,07 1,98 65 Etanol 0,80 0,28 1,30 1,43 1,77 30 Benzen 0,66 0,18 1,04 1,65 1,53 - Chloroform - - 1,20 2,05 1,77 34,5

Dwusiarczek węgla 0,31-0,49-0,76 8,3 Eter etylowy 1,2-2,4 4,15 3,8 50 Rozpuszczalność gazów, jak już powyżej wspomniano, zależy od ciśnienia, temperatury i obecności innych elektrolitów w roztworze. Wpływ ciśnienia na rozpuszczalność gazów określa prawo Henry ego zgodnie z którym ilość gazu rozpuszczonego w danej objętości cieczy jest proporcjonalna do ciśnienia gazu w danej temperaturze. mgr = k p g T = const. (1) mgr gdzie: masa gazu rozpuszczonego w danej objętości cieczy, k stała Henry ego, p g prężność gazu nad cieczą w danej temperaturze. Ze wzrostem temperatury z reguły rozpuszczalność gazów maleje. Przyczyną tego zjawiska jest fakt, że rozpuszczanie gazu w cieczy jest procesem egzotermicznym ( H rozp <0). Dlatego też, zgodnie z regułą Le Chateliera-Brauna podwyższenie temperatury powoduje zmniejszenie się rozpuszczalności gazu (tab. 2). Tab. 2. Rozpuszczalność różnych gazów w wodzie (w gramach na dm 3 ) w funkcji temperatury. Temperatura [K] H 2 O 2 CO 2 NH 3 273 0,0019 0,0695 3,35 900 303 0,0015 0,0360 1,25 400 333 0,0012 0,0227 0,58-363 0,0005 0,0079 - - Znaczny wpływ na rozpuszczalność gazów w cieczach wywiera dodatek elektrolitów ulegających w danym rozpuszczalniku dysocjacji. Ich obecność zmniejsza rozpuszczalność gazów. Istotny jest w tym przypadku rodzaj dodanego elektrolitu, a nie rodzaj rozpuszczonego gazu. Zjawisko to zwane jest wysalaniem i spowodowane jest solwatacją kationów i anionów danego elektrolitu przez cząsteczki polarnego rozpuszczalnika i zmniejszeniem wskutek tego liczby cząsteczek efektywnie mogących oddziaływać na cząsteczki gazu.

Gazem koniecznym do życia nie tylko ludzi jest tlen. W powietrzu znajduje się stała jego ilość - około 20,9%. Gdy powietrze kontaktuje się z wodą, wówczas tlen atmosferyczny rozpuszcza się w wodzie. Ilość tlenu rozpuszczonego w wodzie zależy od wielu czynników: czy zapewniony jest czas na osiągnięcie równowagi, czy jest odpowiednie mieszanie ułatwiające osiągnięcie pełnego nasycenia, od temperatury wody, od ciśnienia powietrza, od zawartości soli w wodzie oraz od obecności innych substancji w wodzie, które mogą zużywać tlen. Ponieważ zawartość tlenu jest bardzo ważna dla licznych procesów biologicznych i chemicznych, dlatego pomiar zawartości tlenu rozpuszczonego w roztworach elektrolitów jest bardzo ważnym problemem. Do tego celu najpowszechniej stosuje się sensory Clarka - membranowe elektrody tlenowe, które dają możliwość określenia zawartości tlenu w roztworze w rzeczywistym czasie. Nazwa elektroda Clarka pochodzi od jej konstruktora dr Lelanda Clarka. Elektroda tlenowa Clarka jest amperometrycznym sensorem do oznaczania tlenu. Jednak, gdy odpowiednio zmodyfikuje się jej konstrukcję wówczas można przy pomocy tak zmodyfikowanego sensora oznaczać również inne gazy o własnościach utleniająco redukujących, takie jak: H 2 S, NO, NO 2, Cl 2, CO, itp. Czujniki membranowe są bardzo ważną grupą chemicznych sensorów. Klasyczna tlenowa elektroda Clarka zawiera ciekły elektrolit oraz dwie elektrody. Anodą jest elektroda chlorosrebrowa, a katodą metal szlachetny platyna lub złoto (rys. 1).

Rys. 1. Schemat amperometrycznej elektrody tlenowej Clarka. Katoda znajduje się w szklanej otoczce izolującej. Anoda posiada dużą powierzchnię, aby zapewnić sensorowi dobrą stabilność podczas pracy i zabezpieczyć przed zmianami koncentracji elektrolitu. Elektrody zanurzone są w roztworze elektrolitu. Zazwyczaj elektrolitem jest to 0,1 mm roztwór chlorku potasu (KCl). Całość przykryta jest półprzepuszczalną membraną. Jako materiał membran w takich czujnikach stosuje się różne polimery: teflon, polietylen, polimery silikonowe przez które tlen łatwo przenika, w przeciwieństwie do innych gazowych składników próbki. Membrany te nie przepuszczają zanieczyszczeń i redukowalnych jonów. Ruch jonów w roztworach elektrolitów jest chaotyczny. Pod wpływem przyłożonego napięcia następuje jego uporządkowanie i jony zaczynają poruszać się w kierunku odpowiednich elektrod. Jony obdarzone ładunkiem dodatnim (kationy) wędrują w kierunku elektrody ujemnej katody, zaś jony obdarzone ładunkiem ujemnym (aniony) poruszają się w kierunku elektrody dodatniej anody. Katodą nazywa się elektrodę na której zachodzi proces redukcji (pobieranie elektronów z elektrody i obniżenie stopnia utlenienia substancji), a anodą elektrodę, na której zachodzi proces utleniania (oddawanie elektronów do elektrody i wzrost stopnia utleniania substancji). Te procesy jednoznacznie określają elektrody.

Krzywa obrazująca zmiany natężenia prądu w funkcji przyłożonego napięcia do roztworów elektrolitów ma inny przebieg niż w ma to miejsce na przykład w przypadku metali. W przypadku przewodników elektronowych zależność prądu w funkcji przyłożonego napięcia jest liniowa i opisana przez prawo Ohma. W przypadku roztworów elektrolitów podczas polaryzacji początkowo obserwuje się tylko nieznaczny przepływ prądu przez roztwór. Prąd ten określa się jako prąd szczątkowy. Podczas dalszego wzrostu napięcia następuje wzrost wartości prądu wskutek wzrostu szybkości reakcji chemicznych zachodzących w danym układzie elektrochemicznym. Gdy stężenie cząsteczek elektrodowo aktywnych przy elektrodzie stanie się równe zero, wówczas prąd osiąga najwyższą wartość zwaną prądem granicznym (rys. 2). Wartość prądu granicznego w danej temperaturze jest proporcjonalna do koncentracji oznaczanego składnika: gdzie: gdzie: c 1 - stała i S l D T gr = c 1 p c i (2) S - powierzchnia dyfuzji, l - grubość bariery dyfuzyjnej D - współczynnik dyfuzji gazu przez barierę T - temperatura p - ciśnienie całkowite gazu c i - koncentracja badanego gazu W elektrodzie tlenkowej Clarka zachodzą następujące reakcje elektrodowe po przekroczeniu napięcia rozkładu: Ag / AgCl( anoda ) : 4Ag + 4Cl 4AgCl + 4e + Pt( katoda ) : O2 + 4H + 4e 2H 2 O (3) Stosowane napięcie polaryzacji w elektrodzie Clarka jest stałe i wynosi zazwyczaj 0,7 V lub 0,8 V względem elektrody Ag/AgCl. Na anodzie zachodzi proces utleniania srebra, które natychmiast w chodzi w reakcję z jonami chlorkowymi znajdującymi się w roztworze i powstaje trudno rozpuszczalny chlorek srebra. Tlen dyfunduje przez membranę do elektrolitu wewnętrznego elektrody i dalej do katody gdzie ulega reakcji redukcji. Sygnałem wyjściowym

w tym układzie jest natężenie prądu, które jest proporcjonalne do ciśnienia parcjalnego tlenu lub jego stężenia w elektrolicie (rys. 2). 4,0 3,5 Tlen Prąd [ma] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 70% 60% 50% 40% 30% 20% 0,5 10% 0% 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Napięcie względem elektrody Ag/AgCl [V] Rys. 2. Zależność wartości prądu od napięcia polaryzacji względem elektrody chlorosrebrowej sensora Clarka. Cel ćwiczenia: 1. Zapoznanie się z działaniem membranowego czujnika gazu. 2. Określenie wpływu temperatury na rozpuszczalność tlenu. 3. Określenie wpływu dodatku różnych elektrolitów na rozpuszczalność tlenu. Literatura. 1. Cygański A., Podstawy metod elektroanalitycznych, WNT Warszawa (1999). 2. Dowolny podręcznik do Chemii fizycznej.