Células eletrolíticas

Fonte: Smaa Koraym na Universidade Johns Hopkins, MD, EUA

1. Células eletrolíticasExpandir

   Neste experimento, você montará uma célula eletrolítica para realizar galvanoplastia. Uma célula eletrolítica contém um ânodo e um cátodo conectados por uma fonte de energia, que impulsiona a reação redox não espontânea na célula. Quando o material do ânodo é oxidado, os íons viajam para o cátodo, onde são reduzidos e revestidos.

   No caso deste experimento, a célula eletrolítica contém um ânodo de cobre e uma chave de latão para o cátodo. A oxidação do ânodo cria íons de cobre (2+), que são então reduzidos na chave de latão, formando um fino revestimento de cobre sólido.

   • Coloque luvas, óculos de segurança e um avental de laboratório, que deve ser usado o tempo todo.
   • Obtenha um resistor de 10 ohms, um eletrodo de folha de cobre, um fio de cobre e um pedaço de lixa.
   • Use a lixa para polir a chave de latão e a folha de cobre. Enxágue a chave e o eletrodo de cobre com água. A chave de latão será o cátodo e a folha de cobre será o ânodo.
   • Leve um copo de 50 mL e um vidro de relógio ao capô do instrutor e obtenha aproximadamente 20 mL de acetona. Coloque o vidro do relógio em cima do copo para evitar a evaporação e traga-o de volta para a bancada.
   • Rotule o outro copo de 50 mL como 'resíduo orgânico'.
   • Use uma pipeta descartável para enxaguar o eletrodo de cobre e chavear com acetona. Recolha o excesso no copo de resíduos. Coloque a chave e o eletrodo de cobre em uma toalha de papel para secar.
   • Meça as massas iniciais da chave e do eletrodo de cobre e registre seus valores em seu caderno de laboratório.

     Tabela 1: Moles de transferidos

     	Massa da chave (g)	Mudança na massa (g)	Moles chapeado	Massa do eletrodo de (g)	Mudança na massa (g)	Moles perdido
     0 min
     5 min
     1st 30 min
     2nd 30 min

     Clique aqui para baixar a Tabela 1
   • Configure a célula eletrolítica. Use um fio elétrico com garras jacaré para conectar o terminal negativo da bateria à sonda de corrente. Enrole o resistor de 10 ohms ao redor da outra extremidade da sonda de corrente.
   • Use outro fio para conectar o terminal positivo da bateria ao eletrodo de cobre.
   • Enrole o fio de cobre ao redor da chave de latão e use um fio elétrico para conectar o resistor da sonda de corrente ao fio de cobre da chave de latão.
   • Obtenha cerca de 200 mL de sulfato de cobre concentrado em um béquer de 250 mL. O valor não precisa ser exato. Traga o copo de volta para a bancada e coloque-o na placa de agitação. Com cuidado, coloque uma barra de agitação magnética no copo e ligue a configuração de agitação para o máximo.
   • Conecte o sistema de aquisição de dados à sonda atual e permita que o sistema de aquisição de dados detecte a sonda. Deve retornar uma leitura em amperes. Altere a taxa para duas varreduras por minuto e a duração para 5 min.
   • Coloque a chave de latão no copo. Pendure-o na lateral do copo de modo que a chave fique quase completamente submersa, mas não toque na barra de agitação magnética. nota: O fio de cobre não deve estar na solução.
   • Coloque o eletrodo de cobre no béquer, dobrando-o de forma que fique pendurado na borda do béquer. Certifique-se de que não está tocando na barra de agitação ou na chave de latão.
   • Inicie a varredura e deixe-a coletar dados por 5 min. Isso funcionará como um teste para garantir que o revestimento ocorra na chave de latão.
   • Após o término da varredura, remova a chave e o eletrodo de cobre. O revestimento de cobre na chave de latão deve ser evidente. Se não estiver visível, verifique seu circuito para certificar-se de que a bateria esteja conectada na orientação correta.
   • Depois de concluir um revestimento de 5 minutos bem-sucedido, desconecte a chave e o eletrodo de cobre da fiação. Remova o fio de cobre da chave e enxágue a chave e o eletrodo de cobre com água e acetona. Coloque-os sobre uma toalha de papel para secar.
   • Meça as massas da chave e do eletrodo de cobre e registre-as em seu caderno de laboratório.
   • Reconecte a chave e o eletrodo de cobre e coloque-os de volta na solução como antes. Reinicie a execução no sistema de aquisição de dados, certificando-se de que a taxa esteja definida como duas varreduras por minuto. Com a duração definida para 30 min, deixe o processo de galvanoplastia ser executado.
   • Após a conclusão da varredura, remova o eletrodo e a chave da solução, desconecte-os dos fios e enxágue-os com água e acetona. Deixe-os secar em uma toalha de papel, pese-os e registre suas massas em seu caderno.
   • Remonte a configuração e repita a galvanoplastia para um segundo teste de 30 minutos. Quando a varredura estiver concluída, remova a chave e o eletrodo de cobre, enxágue-os como antes e registre sua massa.
   • Salve os dados gravados como um arquivo de texto em uma unidade flash.
   • Para limpar, desligue a configuração de agitação e remova a barra de agitação da solução usando uma pinça. Descarte a acetona no recipiente de lixo orgânico fornecido pelo seu instrutor. A solução de sulfato de cobre pode ser reutilizada para laboratórios futuros, então despeje o sulfato de cobre concentrado de volta no garrafão.
   • Enxágue todos os seus copos com água e devolva-os ao instrutor.
2. ResultsExpandir
   • Primeiro, calcule a carga total Q que fluiu pelo sistema durante os diferentes testes. Um coulomb é a quantidade de eletricidade que flui através de um fio que transporta 1 ampere de corrente em 1 s, portanto, Q = I x t.
   • Revise os dados atuais da sonda para o primeiro teste de galvanoplastia de 5 minutos. nota: Se a corrente caísse para 0 ou perto de 0 no final do teste, os elétrons parariam de fluir do eletrodo de cobre para a chave. Use apenas os valores registrados antes da queda na corrente. Se a corrente cair para 0 no início do processo de galvanização, repita o teste.
   • A corrente varia ao longo do tempo, então calcule a corrente média, I.

     Tabela 2: Mols de elétrons transferidos

     Teste	Tempo(s)	Média atual (A)	Carga total (C)	Moles (e?)
     5 min
     1st 30 min
     2nd 30 min
     Total

     Clique aqui para baixar a Tabela 2
   • Use a corrente média ao longo do tempo total para determinar a carga total transferida durante a galvanoplastia, Q. Cerca de 20 coulombs foram transferidos durante o teste de 5 minutos, e entre 110 e 120 coulombs foram transferidos durante cada teste de 30 minutos. A carga total transferida durante todo o processo de galvanoplastia de 65 minutos foi de cerca de 250 coulombs.
   • Use a carga total transferida para calcular os moles de elétrons revestidos durante cada tentativa. Os moles dos elétrons revestidos são iguais à carga total transferida dividida pela constante de Faraday. A constante de Faraday representa a magnitude da carga elétrica por mol de elétrons e é determinada multiplicando a carga de um elétron pela constante de Avogadro.
   • Determine os moles de elétrons que foram transferidos para os testes de 5 e 30 minutos.
   • Calcule os moles de cobre que foram revestidos na chave após cada tentativa. Da mesma forma, determine os moles de cobre perdidos do eletrodo da folha de cobre.
   • Compare os moles de cobre que foram perdidos do eletrodo com a quantidade que foi revestida na chave de latão. Os números devem estar próximos.
   • Verifique se esses valores correspondem ao esperado com base no número de moles de elétrons que foram transferidos. A redução de 1 mol de íons de cobre (2+) requer 2 moles de elétrons para produzir 1 mol de cobre sólido.