Wyznaczanie równoważnika elektrochemicznego miedzi oraz stałej

ĆWICZENIE 23
WYZNACZANIE RÓWNOWAŻNIKA ELEKTROCHEMICZNEGO
MIEDZI ORAZ STAŁEJ FARADAYA
Opis układu pomiarowego
Zestaw pomiarowy wykorzystywany w ćwiczeniu składa się z dwóch części:
ĆWICZENIE 23
•układu elektrycznego do przeprowadzenia elektrolizy (schemat układu przedstawiony jest na
rysunku) w skład, którego wchodzi: elektrolizer, amperomierz prądu stałego, klucz do
zamykania i przerywania prądu, źródło prądu stałego (zasilacz) oraz rezystor dla regulacji
natężenia prądu w obwodzie,
•wagi analitycznej pozwalającej ważyć elektrodę, na której wydziela się miedź z dokładnością
do 0,0002 g.
Elektrolizer jest to prostopadłościenne naczynie szklane, w którym elektrodami są płaskie
blachy miedziane. Obie elektrody zanurzone są w roztworze CuSO4. Należy uważać, aby
katoda i anoda elektrolizera były odpowiednio połączone z biegunem źródła prądu stałego,
tzn. aby katoda miała potencjał ujemny w stosunku do anody. W przypadku przeciwnego
podłączenia biegunów otrzymujemy nie przyrost, lecz ubytek masy.
W czasie elektrolizy gęstość prądu nie może być zbyt duża (mniejsza niż 1 A/dm2). Dla
większej gęstości prądu osadzenie się miedzi byłoby zbyt szybkie i nierównomierne, a
nagromadzona w pewnych miejscach miedź mogłaby się odrywać od katody i spadać do
roztworu.
Przeprowadzenie pomiarów
1. Zaznajomić się z przeznaczeniem przyrządów wchodzących w skład zestawu
pomiarowego. Zmontować obwód elektryczny zgodnie ze schematem na rysunku.
2. Zanurzyć katodę w elektrolicie, wstawiając ją w otwór pokrywy elektrolizera.
3. Ustawić natężenie prądu płynącego w obwodzie o wartości nie większej niż 0,3 A, co
gwarantuje gęstość prądu mniejszą niż 1 A/dm2.
4. Przerwać prąd w obwodzie, wyciągnąć elektrodę z elektrolitu, opłukać ją pod kranem
wodą bieżącą, wysuszyć pod promiennikiem, następnie (jeśli zachodzi potrzeba)
wyczyścić papierem ściernym, jeszcze raz wypłukać i wysuszyć, następnie zważyć
elektrodę za pomocą wagi analitycznej (masa m1).
5. Wstawić zważoną elektrodę ponownie do elektrolizera i przepuszczać przez
elektrolizer prąd o natężeniu ustawionym poprzednio nie krócej niż pół godziny. Jeżeli
natężenie prądu w czasie trwania elektrolizy ulega wahaniom, należy notować co dwie
minuty wskazania amperomierza.
6. Po zakończeniu elektrolizy wyciągnąć katodę z elektrolitu, delikatnie opłukać wodą,
osuszyć i ponownie zważyć (masa m2).
7. Oszacować niepewności maksymalne ∆ m , ∆ I , ∆ t . Przy szacowaniu należy
uwzględnić metodę pomiaru, użyty zestaw aparatury, staranność przeprowadzenia
pomiarów, czułość przyrządów itp. Niepewność maksymalna ∆ m jest równa
podwójnej dokładności ważenia.
8. Jeżeli w czasie pomiaru natężenie prądu nie uległo zmianie, jako niepewność
maksymalną natężenia prądu ∆ I przyjąć dokładność odczytu amperomierza. W
przypadku występowania podczas pomiaru wahań wartości natężenia prądu należy
określić średnią wartość I śr ze wskazań przyrządu notowanych co 2 minuty oraz
n
wyznaczyć niepewność standardową
u( I ) = σ
I
=
∑ (I
i= 1
i
− I)
( n − 1) n
2
.
ĆWICZENIE 23
Opracowanie wyników pomiarów
1. Obliczyć masę miedzi osadzonej na elektrodzie.
2. Korzystając z wzoru m = k ⋅ I ⋅ t , gdzie: I – natężenie prądu, t – czas, k – równoważnik
elektrochemiczny - obliczyć równoważnik elektrochemiczny miedzi.
3. Na podstawie wzoru k =
R
wyznaczyć F – stałą Faradaya.
F
∆x
ze znajomości niepewności maksymalnych ∆ m , ∆ I ,
3
∆ t obliczyć niepewności standardowe dla mierzonych wartości.
4. W oparciu w wzór u ( x ) =
5. Wyznaczyć niepewność złożoną względną i bezwzględną dla równoważnika
elektrochemicznego miedzi korzystając ze wzoru:
2
2
2
u (k )
 u ( m) 
 u(I ) 
 u (t ) 
uc, r (k ) = c
= 
 +
 +

k
 m 
 I 
 t 
6. Wyznaczyć niepewność złożoną względną i bezwzględną stałej Faradaya. Ponieważ
wartość gramorównoważnika jako tablicowa nie jest obarczona błędem zachodzi równość:
uc, r ( F ) = uc, r (k )
7. Wyznaczyć zgodnie z zależnością U ( F ) = k ⋅ u ( F ) niepewność rozszerzoną dla pomiaru
stałej Faradaya F przyjmując do obliczeń współczynnik rozszerzenia k=2. Sprawdzić
zgodność uzyskanej wartości stałej Faradaya z wartością tabelaryczną.
Zestawić wyniki, przeanalizować uzyskane rezultaty, wyciągnąć wnioski.
Stwierdzić czy cele ćwiczenia:
•wyznaczenie stałej Faradaya;
•wyznaczenie równoważnika elektrochemicznego miedzi;
zostały osiągnięte.