návod pro demonstraci Faradayova zákona

Demonstrační aparatura pro výuku elektrolýzy
Projekt FRVŠ 404/2013
Pavel Morávek, Pavel Vrbka (Ústav fyzikální chemie VŠCHT Praha)
Úvod
Elektrolýzu lze kvantitativně popsat Faradayovými zákony. Ty lze souhrnně zapsat vztahem
kde vyloučené množství látky na katodě n je přímo úměrné náboji Q=It, prošlému roztokem,
a nepřímo úměrné mocenství vylučovaných částic z a rovněž Faradayově konstantě
F=eNA=96485 C.mol-1, která představuje náboj jednoho molu elektronů.
Pro názornou ukázku těchto zákonů byla sestavena aparatura, jejíž součástí je obvod
obsahující elektrolyzéry/coulometry na třaskavý plyn a na měď. Dále je nutné zapojit
stejnosměrný regulovatelný zdroj, jako další prvky obvodu byly použity demonstrační
multimetr a ruční multimetr pro záznam aktuálního procházejícího proudu na počítači.
Názorné schéma obvodu je zobrazeno na Obrázku 1.
Obrázek 1 - Schéma obvodu pro demonstraci elektrolýzy
Provedení aparatury
Jako coulometr na třaskavý plyn byl použit Hofmannův přístroj firmy Phywe, ve kterém je
v oddělených plynoměrných byretách zachytáván vznikající kyslík a vodík. Přístroj byl podle
doporučení výrobce naplněn 0,2 M roztokem H2SO4. Děje na elektrodách lze popsat
následujícími rovnicemi:
H2O (l) -> H+ (aq) + OH- (aq)
H+ (aq) + e- -> ½ H2 (g)
OH- (aq) -> ½ H2O (l) + ¼ O2 (g) + eSouhrnná reakce:
½ H2O (l) -> ½ H2 (g) + ¼ O2 (g)
Průchodem náboje 1F se tedy rozloží ½ molu vody a ¾ molu plynné směsi vodíku s kyslíkem.
Pro celkový objem vzniklého plynu můžeme ze stavové rovnice ideálního plynu odvodit vztah
ve kterém je látkové množství vzniklého plynu vyjádřeno z Faradayova zákona. Veličina
R=8,314 J.K.mol-1 představuje univerzální plynovou konstantu, T je teplota v Kelvinech a p
atmosférický tlak. Pro přesnost měření je tedy nutné znát okolní teplotu a atmosférický tlak,
od jeho hodnoty je nutné odečíst tlak nasycených par vody. Závislost tlaku nasycených par
vody na teplotě popisuje například Antoineova rovnice ve tvaru
(
)
platná v teplotním intervalu od 11°C do 168°C. Výrobce přístroje doporučuje před samotným
měřením nasytit roztok vznikajícími plyny, pro přesnost ukázky elektrolýzy to však není
nutné.
Coulometr na měď je tvořen měděnou deskovou anodou a měděnou deskovou katodou,
které jsou ponořeny v roztoku síranu měďnatého. Působením stejnosměrného proudu
přechází měď z anody do roztoku ve formě dvojmocných iontů
Cu -> Cu2+ + 2ea na katodě se vylučuje kovová měď
Cu2+ + 2e- -> Cu .
Roztok lze případně okyselit a přidat ethanol, který zabraňuje oxidaci vyloučené mědi.
Elektrody je vhodné před použitím očistit zředěnou kyselinou sírovou kvůli odstranění
případných oxidů. Množství mědi vyloučené na katodě pak lze určit jako
,
kde molární hmotnost mědi MCu je 63,546 g.mol-1. Pro určení změn hmotnosti elektrod je
nutné použít váhy s přesností alespoň 0,001 g, protože množství vyloučené mědi v takto
zapojené demonstrační aparatuře se pohybuje okolo 0,1 g.
Dále byl použit demonstrační multimetr firmy NTL a ruční multimetr Metex M-3890D s USB
výstupem pro počítač, oba s dostatečně velkými rozsahy (minimálně 300 mA). Sestavená
aparatura je zobrazena na Obrázku 2.
Obrázek 2 – Realizace aparatury na přednáškách Fyzikální chemie I
Postup experimentu
Hofmannův přístroj byl zcela naplněn roztokem 0,2 M roztokem H 2SO4. Elektrody pro
elektrolyzér na měď byly očištěny stejně koncentrovaným roztokem kyseliny sírové,
opláchnuty, osušeny, zváženy a připevněny do skleněné vany, která obsahovala
koncentrovaný vodný roztok CuSO4. Elektrolyzéry byly připojeny do elektrického obvodu
s multimetry a zdrojem stejnosměrného proudu podle schéma na Obrázku 1. Dále byl
spuštěn záznam průběhu proudu na připojeném počítači.
Optimální délka experimentu byla určena na 30 minut. Pro vyloučení maximálního množství
plynů v Hofmannově přístroji je tedy třeba použít proud 200 mA, který byl zhruba nastaven
na regulovatelném zdroji stejnosměrného napětí. V průběhu experimentu bylo kontrolováno
množství vznikajícího plynu tak, aby bylo možné odečtení v plynoměrných byretách,
s dostatečnou rezervou pro vyrovnání tlaku v byretách s atmosférickým tlakem pohyblivou
nádobkou, spojenou s byretami hadičkou s roztokem kyseliny sírové.
Po vzniku dostatečných objemů vodíku a kyslíku byl zdroj napětí vypnut a zastaven záznam
hodnot proudu na počítači. Po vyrovnání tlaku v jednotlivých plynoměrných byretách byly
odečteny objemy vodíku a kyslíku, které by měly být v poměru 2:1. Měděné elektrody byly
vyjmuty z roztoku CuSO4, opatrně opláchnuty ethanolem, osušeny fénem a zváženy. Úbytek
hmotnosti na anodě by měl odpovídat přírůstku hmotnosti na katodě. Hodnoty proudu
procházejícího obvodem byly na počítači zaznamenávány přesně po jedné sekundě, pro
získání celkového náboje numerickou integrací je tedy stačilo sečíst.
Příklad vyhodnocení výsledků
Numerickou integrací byl získán náboj 364,02 C. Tuto hodnotu lze využít buď pro teoretický
výpočet množství vyloučených látek a k následnému porovnání s experimentálními
hodnotami nebo k přímému porovnání s experimentálně získanými hodnotami náboje
z elektrolyzérů.
Atmosférický tlak stanovený barometrem byl 98,9 kPa a teplota odečtená z laboratorního
teploměru byla 20°C, té odpovídá tlak nasycených par vody 2,313 kPa, určený z Antoineovy
rovnice. V Hofmannově přístroji se vyloučilo celkem 71,5 ml třaskavého plynu, přírůstek
hmotnosti katody byl 0,1203 g.
Pro náboj 364,02 C lze dopočítat podle výše uvedených vzorců teoretická množství
vyloučených látek, tedy 71,4 ml třaskavého plynu a 0,1199 g mědi. Pro demonstraci
původního určení elektrolyzérů jako coulometrů lze vypočítat náboj prošlý coulometrem na
třaskavý plyn (364,52 C) a coulometrem na měď (365,31 C).
Poděkování
Za umožnění realizace této aparatury a tím k přispění atraktivnosti výuky fyzikální chemie na
Vysoké škole chemicko-technologické v Praze autoři děkují Fondu rozvoje vysokých škol
(Projekt FRVŠ 404/2013).