Ogniwa elektrolityczne

Źródło: Smaa Koraym z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, MD, USA

1. Ogniwa elektrolityczneRozwiń

   W tym eksperymencie będziesz montować ogniwo elektrolityczne do wykonywania galwanizacji. Ogniwo elektrolityczne zawiera anodę i katodę połączone źródłem zasilania, które napędza niespontaniczną reakcję redoks w ogniwie. Gdy materiał anodowy jest utleniany, jony przemieszczają się do katody, gdzie są redukowane i platerowane.

   W przypadku tego eksperymentu ogniwo elektrolityczne zawiera miedzianą anodę i mosiężny klucz do katody. Utlenianie anody wytwarza jony miedzi (2+), które są następnie redukowane na mosiężnym kluczu, tworząc cienką powłokę z litej miedzi.

   • Załóż rękawice, okulary ochronne i fartuch laboratoryjny, które musisz nosić przez cały czas.
   • Zdobądź jeden rezystor 10-omowy, jedną elektrodę z blachy miedzianej, jeden drut miedziany i jeden kawałek papieru ściernego.
   • Użyj papieru ściernego, aby wypolerować mosiężny klucz i miedzianą blachę. Opłucz klucz i miedzianą elektrodę wodą. Mosiężny klucz będzie katodą, a blacha miedziana będzie anodą.
   • Weź jedną 50-mililitrową zlewkę i szkiełko zegarka do kaptura instruktora i zdobądź około 20 ml acetonu. Umieść szkiełko zegarka na zlewce, aby zapobiec parowaniu, i przynieś je z powrotem na ławkę.
   • Oznacz drugą zlewkę o pojemności 50 ml jako 'odpady organiczne'.
   • Użyj jednorazowej pipety, aby przepłukać miedzianą elektrodę i klucz acetonem. Zebrać nadmiar do zlewki na odpady. Umieść klucz i miedzianą elektrodę na ręczniku papierowym do wyschnięcia.
   • Zmierz początkowe masy klucza i miedzianej elektrody i zapisz ich wartości w swoim notatniku laboratoryjnym.

     Tabela 1: Przenoszone pieprzyki Cu

     	Masa klucza (g)	Zmiana masy (g)	Moles Cu platerowane	Masa elektrody Cu (g)	Zmiana masy (g)	Moles Cu lost
     0 min
     5 min
     1st 30 min
     2nd 30 min

     Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 1
   • Ustaw ogniwo elektrolityczne. Użyj jednego przewodu elektrycznego z zaciskami krokodylkowymi, aby podłączyć ujemny zacisk akumulatora do sondy prądowej. Owiń rezystor 10-omowy wokół drugiego końca sondy prądowej.
   • Użyj innego przewodu, aby połączyć dodatni zacisk akumulatora z miedzianą elektrodą.
   • Owiń miedziany przewód wokół mosiężnego klucza i użyj przewodu elektrycznego, aby połączyć rezystor na sondzie prądowej z miedzianym przewodem na mosiężnym kluczu.
   • Uzyskać około 200 ml stężonego siarczanu miedzi w zlewce o pojemności 250 ml. Kwota nie musi być dokładna. Przynieś zlewkę z powrotem na ławkę i połóż ją na talerzu mieszającym. Ostrożnie umieść mieszadło magnetyczne w zlewce i ustaw mieszadło na wysokie.
   • Podłącz system akwizycji danych do bieżącej sondy i pozwól systemowi akwizycji danych wykryć sondę. Powinien zwrócić odczyt w amperach. Zmień szybkość na dwa skanowania na minutę i czas trwania na 5 minut.
   • Umieść mosiężny klucz w zlewce. Zawieś go z boku zlewki tak, aby klucz był prawie całkowicie zanurzony, ale nie dotykał mieszadła magnetycznego. nuta: Drut miedziany nie powinien znajdować się w roztworze.
   • Umieść miedzianą elektrodę w zlewce, zginając ją tak, aby zwisała z krawędzi zlewki. Upewnij się, że nie dotyka mieszadła ani mosiężnego klucza.
   • Rozpocznij skanowanie i pozwól mu zbierać dane przez 5 minut. Będzie to działać jako uruchomienie testowe, aby upewnić się, że na mosiężnym kluczu występuje poszycie.
   • Po zakończeniu skanowania wyjmij klucz i miedzianą elektrodę. Miedziane poszycie na mosiężnym kluczu powinno być widoczne. Jeśli nie jest widoczny, sprawdź obwód, aby upewnić się, że bateria jest podłączona we właściwej orientacji.
   • Po pomyślnym 5-minutowym galwanizacji, odłącz klucz i miedzianą elektrodę od okablowania. Wyjmij drut miedziany z klucza i opłucz klucz oraz elektrodę miedzianą wodą, a następnie acetonem. Połóż je na ręczniku papierowym do wyschnięcia.
   • Zmierz masy klucza i miedzianej elektrody i zapisz je w swoim notatniku laboratoryjnym.
   • Podłącz ponownie klucz i miedzianą elektrodę i umieść je z powrotem w roztworze, tak jak poprzednio. Uruchom ponownie uruchamianie w systemie akwizycji danych, upewniając się, że szybkość jest ustawiona na dwa skanowania na minutę. Po ustawieniu czasu trwania na 30 minut poczekaj, aż proces galwanizacji się rozpocznie.
   • Po zakończeniu skanowania wyjmij elektrodę i klucz z roztworu, odłącz je od przewodów i spłucz wodą, a następnie acetonem. Pozwól im wyschnąć na ręczniku papierowym, a następnie zważ je i zapisz ich masę w zeszycie.
   • Złóż ponownie zestaw i powtórz galwanizację przez drugą 30-minutową próbę. Po zakończeniu skanowania wyjmij klucz i miedzianą elektrodę, opłucz je jak poprzednio i zapisz ich masę.
   • Zapisz nagrane dane jako plik tekstowy na pendrive.
   • Aby posprzątać, wyłącz ustawienie mieszania i wyjmij mieszadło z roztworu za pomocą kleszczy. Wyrzuć aceton do pojemnika na odpady organiczne dostarczonego przez instruktora. Roztwór siarczanu miedzi może być ponownie wykorzystany w przyszłych laboratoriach, więc wlej skoncentrowany siarczan miedzi z powrotem do gąsiora.
   • Opłucz wszystkie swoje szklane naczynia wodą i zwróć je instruktorowi.
2. WynikiRozwiń
   • Najpierw oblicz całkowity ładunek Q, który przepływał przez system podczas różnych prób. Jeden kulomb to ilość energii elektrycznej przepływającej przez drut przenoszący 1 amper prądu w ciągu 1 s, więc Q = I x t.
   • Przejrzyj aktualne dane sondy dla pierwszej 5-minutowej próby galwanizacji. nuta: Jeśli prąd spadł do 0 lub blisko 0 pod koniec próby, elektrony przestały płynąć z miedzianej elektrody do klucza. Używaj tylko wartości zarejestrowanych przed wystąpieniem spadku prądu. Jeśli prąd spadnie do 0 na początku procesu powlekania, powtórz próbę.
   • Prąd zmienia się w czasie, więc oblicz średni prąd, I.

     Tabela 2: Mole przenoszonych elektronów

     Próba	Czas (s)	Aktualnaśrednia (A)	Całkowita opłata (C)	Pieprzyki (e?)
     5 min
     1st 30 min
     2nd 30 min
     Razem

     Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 2
   • Użyj średniego prądu w całkowitym czasie, aby określić całkowity ładunek przenoszony podczas galwanizacji, Q. Podczas 5-minutowej próby przeniesiono około 20 kulombów, a podczas każdej 30-minutowej próby przeniesiono od 110 do 120 kulombów. Całkowity ładunek przenoszony w ciągu całego 65-minutowego procesu galwanizacji wynosił około 250 kulombów.
   • Użyj całkowitego przeniesionego ładunku, aby obliczyć liczbę moli elektronów zebranych podczas każdej próby. Moli elektronów platerowanych są równe całkowitemu przeniesionemu ładunkowi podzielonemu przez stałą Faradaya. Stała Faradaya reprezentuje wielkość ładunku elektrycznego na mol elektronów i jest określana przez pomnożenie ładunku elektronu przez stałą Avogadro.
   • Określ mole elektronów, które zostały przeniesione podczas 5-minutowych i 30-minutowych prób.
   • Oblicz mole miedzi, które zostały pokryte na kluczu po każdej próbie. W podobny sposób określ mole miedzi utracone z elektrody z blachy miedzianej.
   • Porównaj mole miedzi, które zostały utracone z elektrody, z ilością, która została pokryta mosiężnym kluczem. Liczby powinny być zbliżone.
   • Sprawdź, czy te wartości zgadzają się z tym, co jest oczekiwane na podstawie liczby moli elektronów, które zostały przeniesione. Redukcja 1 mola jonów miedzi (2+) wymaga 2 moli elektronów do wytworzenia 1 mola stałej miedzi.