Avogadroovo číslo není matematicky odvozená jednotka. Počet částic v mol materiálu se stanoví experimentálně. Tato metoda používá elektrochemii pro stanovení. Možná budete chtít zkontrolovat fungování elektrochemické články před pokusem o tento experiment.
Účel
Cílem je provést experimentální měření Avogadroova čísla.
Úvod
Krtek může být definován jako hmota gramové látky nebo atomová hmotnost prvku v gramech. V tomto experimentu se měří tok elektronů (proud nebo proud) a čas, aby se získal počet elektronů procházejících elektrochemickou buňkou. Počet atomů ve váženém vzorku se vztahuje k toku elektronů pro výpočet Avogadroova čísla.
V tomto elektrolytickém článku jsou obě elektrody měď a elektrolyt je 0,5 M H2TAK4. Během elektrolýzy měděná elektroda (anoda) spojené s kladným kolíkem zdroje energie ztrácí hmotnost, když se atomy mědi převádějí na ionty mědi. Ztráta hmotnosti může být viditelná jako prohlubeň povrchu kovové elektrody. Ionty mědi také přecházejí do vodného roztoku a zbarvují je do modra. Na druhé elektrodě (
katoda) se vodík uvolňuje na povrchu redukcí vodíkových iontů ve vodném roztoku kyseliny sírové. Reakce je:2 H+(aq) + 2 elektrony -> H2(G)
Tento experiment je založen na ztrátě hmotnosti měděné anody, ale je také možné shromáždit vodík, který se vyvíjí, a použít jej pro výpočet Avogadroova čísla.
Materiály
- Zdroj stejnosměrného proudu (baterie nebo napájení)
- Izolované dráty a případně aligátorové svorky pro spojení buněk
- 2 elektrody (např. Pásy z mědi, niklu, zinku nebo železa)
- Kádinka o objemu 250 ml 0,5 M H2TAK4 (kyselina sírová)
- Voda
- Alkohol (např. Methanol nebo isopropylalkohol)
- Malý kádinka 6 M HNO3 (kyselina dusičná)
- Ampérmetr nebo multimetr
- Stopky
- Analytické váhy schopné měřit s přesností na 0,0001 gramu
Postup
Získejte dvě měděné elektrody. Očistěte elektrodu, která bude použita jako anoda, ponořením do 6 M HNO3 v digestoři po dobu 2-3 sekund. Okamžitě vyjměte elektrodu, jinak ji kyselina zničí. Nedotýkejte se elektrod prsty. Opláchněte elektrodu čistou vodou z vodovodu. Poté ponořte elektrodu do kádinky s alkoholem. Umístěte elektrodu na papírový ručník. Když je elektroda suchá, zvažte ji na analytické váze s přesností na 0,0001 gramu.
Přístroj vypadá povrchně jako tento diagram elektrolytického článku až na že používáte spíše dvě kádinky spojené ampérmetrem, než abyste měli elektrody dohromady v roztoku. Kádinka se vezme s 0,5 M H2TAK4 (žíravé!) a do každé kádinky vložte elektrodu. Před jakýmkoli připojením se ujistěte, že je napájení vypnuté a odpojené (nebo připojte baterii jako poslední). Napájecí zdroj je připojen k ampérmetru v sérii s elektrodami. Kladný pól napájecího zdroje je připojen k anodě. Záporný kolík ampéru je připojen k anodě (nebo umístěte kolík do roztoku, pokud máte obavy ze změny hmotnosti z aligátorového klipu škrábajícího měď). Katoda je připojena k kladnému kolíku ampérmetru. Nakonec je katoda elektrolytického článku připojena k zápornému pólu baterie nebo zdroje energie. Pamatujte, že hmotnost anody se začne měnit jakmile zapnete napájení, tak si připravte stopky!
Potřebujete přesné měření proudu a času. Amperáž by se měla zaznamenávat v intervalu jedné minuty (60 sekund). Uvědomte si, že proud se může v průběhu experimentu měnit v důsledku změn v roztoku elektrolytu, teploty a polohy elektrod. Amperáž použitá při výpočtu by měla být průměrem všech odečtů. Nechte proud protékat minimálně 1020 sekund (17,00 minut). Změřte čas na nejbližší sekundu nebo zlomek sekundy. Po 1020 sekundách (nebo déle) vypněte záznam napájení, poslední hodnotu proudu a čas.
Nyní vyjmete anodu z cely, usušíte ji jako předtím ponořením do alkoholu a necháte ji uschnout na papírovém ručníku a zvážit. Pokud otřete anodu, odstraníte měď z povrchu a zrušíte svou práci!
Pokud je to možné, opakujte experiment pomocí stejných elektrod.
Ukázkový výpočet
Byly provedeny následující měření:
Ztráta anody: 0,3554 g (g)
Proud (průměr): 0,601 ampér (amp)
Doba elektrolýzy: 1802 sekund (s)
Pamatovat:
Jeden ampér = 1 coulomb / sekundu nebo jeden amp.s = 1 coulomb
Náboj jednoho elektronu je 1,602 x 10-19 coulomb
-
Najděte celkový náboj prošel obvodem.
(0,601 amp) (1 coul / 1 amp) (1802 s) = 1083 coul -
Vypočítejte počet elektronů při elektrolýze.
(1083 coul) (1 elektron / 1,6022 x 1019coul) = 6,759 x 1021 elektronů -
Určete počet atomů mědi ztracených z anody.
Proces elektrolýzy spotřebovává dva elektrony na vytvořený iont mědi. Počet vytvořených iontů mědi (II) je tedy poloviční než počet elektronů.
Počet iontů Cu2 + = 1/2 měřených elektronů
Počet iontů Cu2 + = (6,752 x 1021 elektronů) (1 Cu2 + / 2 elektrony)
Počet iontů Cu2 + = 3,380 x 1021 iontů Cu2 + -
Vypočítejte počet měděných iontů na gram mědi z výše uvedeného množství měděných iontů a hmotnosti vyrobených měděných iontů.
Hmotnost vyrobených měděných iontů se rovná ztrátě hmotnosti anody. (Hmotnost elektronů je tak malá, že je zanedbatelná, takže hmotnost iontů mědi (II) je stejná jako hmotnost atomů mědi.)
hmotnostní ztráta elektrody = hmotnost iontů Cu2 + = 0,3554 g
3,380 x 1021 Cu2 + ionty / 0,3544g = 9,510 x 1021 Cu2 + ionty / g = 9,510 x 1021 atomů Cu / g -
Vypočítejte počet atomů mědi v molu mědi, 63,546 gramů.Atomy mědi / mol Cu = (9,510 x 1021 atomů mědi / g mědi) (63,546 g / mol mědi) Atomy mědi / mol Cu = 6,040 x 1023 atomů mědi / mol mědi
Toto je studentova naměřená hodnota čísla Avogadra! -
Vypočítejte procentní chybu.Absolutní chyba: | 6,02 x 1023 - 6,04 x 1023 | = 2 x 1021
Procentní chyba: (2 x 10 21 / 6,02 x 10 23) (100) = 0,3%