návod pro demonstraci Faradayova zákona
Transkript
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).