Avogadrovo število ni matematično izpeljana enota. Število delcev v molu materiala je določeno eksperimentalno. Ta metoda za določitev uporablja elektrokemijo. Morda boste želeli pregledati delovanje elektrokemijske celice pred poskusom tega poskusa.
Namen
Cilj je eksperimentalna meritev Avogadrovega števila.
Uvod
Mol je mogoče opredeliti kot maso snovne formule snovi ali atomsko maso elementa v gramih. V tem poskusu se merita pretok elektrona (amperaža ali tok) in čas, da dobimo število elektronov, ki prehajajo skozi elektrokemično celico. Število atomov v tehtanem vzorcu je povezano s pretokom elektronov za izračun Avogadrovega števila.
V tej elektrolitski celici sta obe elektrodi baker, elektrolit pa 0,5 M H2SO4. Med elektrolizo je bakrena elektroda (anoda) povezan s pozitivnim pinom napajanja izgubi maso, ko se bakrovi atomi pretvorijo v bakrove ione. Izguba mase je lahko vidna kot brušenje površine kovinske elektrode. Prav tako bakrovi ioni preidejo v vodno raztopino in jo obarvajo modro. Na drugi elektrodi (
katoda) se na površini sprosti vodikov plin z redukcijo vodikovih ionov v vodni raztopini žveplove kisline. Reakcija je:2 H+(aq) + 2 elektrona -> H2(g)
Ta poskus temelji na masni izgubi bakrene anode, možno pa je tudi zbrati nastali vodikov plin in ga uporabiti za izračun Avogadrovega števila.
Materiali
- Vir enosmernega toka (baterija ali napajalnik)
- Izolirane žice in po možnosti aligatorske sponke za povezavo celic
- 2 elektrodi (npr. Trakovi bakra, niklja, cinka ali železa)
- 250 ml čaša 0,5 M H2SO4 (žveplova kislina)
- Voda
- Alkohol (npr. Metanol ali izopropil alkohol)
- Majhna čaša 6 M HNO3 (dušikova kislina)
- Ampermeter ali multimeter
- Štoparica
- Analitična tehtnica, ki lahko meri na 0,0001 grama
Postopek
Pridobite dve bakreni elektrodi. Očistite elektrodo, ki bo uporabljena kot anoda, tako da jo potopite v 6 M HNO3 v loputi za 2-3 sekunde. Takoj odstranite elektrodo ali jo bo kislina uničila. Ne dotikajte se elektrode s prsti. Izperite elektrodo s čisto vodo iz pipe. Nato elektrodo potopite v čašo z alkoholom. Postavite elektrodo na papirnato brisačo. Ko se elektroda posuši, jo tehtajte na analitični tehtnici na najbližjih 0,0001 grama.
Naprava izgleda površinsko kot ta diagram elektrolitske celice razen da uporabljate dve čaši, ki sta povezana z ampermetrom, namesto da elektrode imate skupaj v raztopini. Čašo vzemite z 0,5 M H2SO4 (jedko!) in v vsako čašo postavite elektrodo. Pred vzpostavljanjem povezav se prepričajte, da je napajalnik izklopljen in izključen iz omrežja (ali baterijo priključite zadnji). Napajalnik je z elektrodami zaporedno povezan z ampermetrom. Pozitivni pol napajalnika je povezan z anodo. Negativni pin ampermetra je povezan z anodo (ali pa vstavite zatič v raztopino, če vas skrbi sprememba mase iz aligatorske sponke, ki praska baker). Katoda je povezana s pozitivnim zatičem ampermetra. Končno je katoda elektrolitske celice povezana z negativnim položajem akumulatorja ali napajalnika. Ne pozabite, da se bo masa anode začela spreminjati takoj ko vklopite napajanje, pripravite svojo štoparico!
Potrebujete natančne meritve toka in časa. Ampresijo je treba zapisati v intervalih v 60 minutah. Upoštevajte, da se lahko amperaža med poskusom spreminja zaradi sprememb v raztopini elektrolitov, temperature in položaja elektrod. Amperaža, uporabljena pri izračunu, mora biti povprečna odčitkov. Pustite, da tok teče najmanj 1020 sekund (17.00 minut). Izmerite čas na najbližjo sekundo ali delček sekunde. Po 1020 sekundah (ali dlje) izklopite zapis o zadnji napajalni vrednosti in času napajanja.
Zdaj anodo vzamete iz celice, jo posušite kot prej, tako da jo potopite v alkohol in pustite, da se posuši na papirnati brisači, in stehtajte. Če obrišete anodo, boste s površine odstranili baker in onemogočili svoje delo!
Če lahko, ponovite poskus z istimi elektrodami.
Izračun vzorca
Izvedene so bile naslednje meritve:
Izgubljena masa anode: 0,3554 grama (g)
Tok (povprečje): 0,601 ampera (amper)
Čas elektrolize: 1802 sekund
Ne pozabite:
En amper = 1 coulomb / second ali en amps = 1 coulomb
Naboj enega elektrona je 1,602 x 10-19 coulomb
-
Poiščite skupno napolnjenost skozi tokokrog.
(0,601 amp) (1 coul / 1 amp) (1802 s) = 1083 coul -
Izračunajte število elektronov v elektrolizi.
(1083 coul) (1 elektron / 1,6022 x 1019coul) = 6,709 x 1021 elektronov -
Določite število atomov bakra, izgubljenih iz anode.
Proces elektrolize porabi dva elektrona na nastali bakreni ion. Tako je število nastalih bakrovih (II) ionov polovica števila elektronov.
Število izmerjenih ionov Cu2 + = ½ število elektronov
Število ionov Cu2 + = (6.752 x 1021 elektronov) (1 Cu2 + / 2 elektrona)
Število ionov Cu2 + = 3.380 x 1021 Cu2 + ionov -
Izračunajte število bakrovih ionov na gram bakra od števila bakrovih ionov in mase proizvedenih bakrovih ionov.
Masa proizvedenih bakrovih ionov je enaka masni izgubi anode. (Masa elektronov je tako majhna, da je zanemarljiva, zato je masa bakrovih (II) ionov enaka masi bakrovih atomov.)
masna izguba elektrode = masa Cu2 + ionov = 0,3554 g
3.380 x 1021 Cu2 + ioni / 0.3544g = 9.510 x 1021 Cu2 + ioni / g = 9.510 x 1021 Cu atomov / g -
Izračunajte število bakrovih atomov v molu bakra, 63.546 gramov.Cu atomi / mol Cu = (9.510 x 1021 bakrovih atomov / g bakra) (63.546 g / mol bakra) Cu atomi / mol Cu = 6.040 x 1023 bakrovih atomov / mol bakra
To je študentska izmerjena vrednost Avogadrovega števila! -
Izračunajte odstotno napako.Absolutna napaka: | 6,02 x 1023 - 6,04 x 1023 | = 2 x 1021
Odstotna napaka: (2 x 10 21 / 6,02 x 10 23) (100) = 0,3%