Число Авогадро не является математически производной единицей. Количество частиц в моле материала определяется экспериментально. Этот метод использует электрохимию, чтобы сделать определение. Вы можете рассмотреть работу электрохимические ячейки перед попыткой этого эксперимента.
Цель
Цель состоит в том, чтобы провести экспериментальное измерение числа Авогадро.
Введение
Моль может быть определена как масса вещества в граммах или атомная масса элемента в граммах. В этом эксперименте измеряются поток электронов (сила тока или ток) и время, чтобы получить число электронов, проходящих через электрохимическую ячейку. Количество атомов в взвешенном образце связано с потоком электронов для расчета числа Авогадро.
В этом электролизере оба электрода выполнены из меди, а электролит - 0,5 М H.2ТАК4. Во время электролиза медный электрод (анод), подключенный к положительному выводу блока питания, теряет массу, поскольку атомы меди преобразуются в ионы меди. Потеря массы может быть видна как точечная поверхность металлического электрода. Также ионы меди переходят в водный раствор и окрашивают его в синий цвет. На другом электроде (
катод), газообразный водород выделяется на поверхности путем восстановления ионов водорода в водном растворе серной кислоты. Реакция такова:2 ч+(aq) + 2 электрона -> H2(г)
Этот эксперимент основан на потере массы медного анода, но также возможно собрать выделившийся водородный газ и использовать его для расчета числа Авогадро.
материалы
- Источник постоянного тока (аккумулятор или источник питания)
- Изолированные провода и, возможно, зажимы аллигатора для подключения клеток
- 2 электрода (например, полоски меди, никеля, цинка или железа)
- Стакан на 250 мл 0,5 М H2ТАК4 (серная кислота)
- вода
- Спирт (например, метанол или изопропиловый спирт)
- Маленькая мензурка 6 М HNO3 (азотная кислота)
- Амперметр или мультиметр
- Секундомер
- Аналитические весы, способные измерять с точностью до 0,0001 г
Процедура
Получить два медных электрода. Очистите электрод, который будет использоваться в качестве анода, погрузив его в 6 М HNO3 в вытяжном шкафу в течение 2-3 секунд. Удалите электрод быстро, или кислота разрушит его. Не прикасайтесь к электроду пальцами. Промойте электрод чистой водопроводной водой. Затем опустите электрод в стакан с алкоголем. Поместите электрод на бумажное полотенце. Когда электрод высохнет, взвесьте его на аналитических весах с точностью до 0,0001 грамма.
Устройство выглядит внешне как эта схема электролизера Кроме что вы используете две мензурки, соединенные амперметром, а не соединяете электроды в растворе. Возьмите стакан с 0,5 М H2ТАК4 (едкий!) и поместите электрод в каждый стакан. Перед выполнением каких-либо подключений убедитесь, что источник питания отключен и отсоединен (или подключите аккумулятор в последнюю очередь). Источник питания подключен к амперметру последовательно с электродами. Положительный полюс источника питания подключен к аноду. Отрицательный вывод амперметра соединен с анодом (или поместите его в раствор, если вас беспокоит изменение массы от зажима аллигатора, царапающего медь). Катод соединен с положительным выводом амперметра. Наконец, катод электролитической ячейки подключен к отрицательному полюсу батареи или источника питания. Помните, масса анода начнет меняться как только вы включите питаниетак что будьте готовы ваш секундомер!
Вам нужны точные измерения тока и времени. Сила тока должна регистрироваться с интервалом в одну минуту (60 секунд). Помните, что сила тока может изменяться в течение эксперимента из-за изменений в растворе электролита, температуры и положения электродов. Сила тока, используемая в расчете, должна быть средней величиной всех показаний. Позвольте току течь в течение минимум 1020 секунд (17.00 минут). Измерьте время с точностью до секунды или доли секунды. Через 1020 секунд (или дольше) выключите источник питания, запишите последнее значение силы тока и время.
Теперь вы извлекаете анод из ячейки, сушите его, как и прежде, погружая его в спирт и позволяя ему высохнуть на бумажном полотенце, и взвешивая его. Если вы протрите анод, вы удалите медь с поверхности и лишите законной силы свою работу!
Если вы можете, повторите эксперимент, используя те же электроды.
Пример расчета
Были сделаны следующие измерения:
Потеря массы анода: 0,3554 г (г)
Ток (средний): 0,601 ампер (ампер)
Время электролиза: 1802 секунды
Помните:
Один ампер = 1 кулон / секунда или один ампер. = 1 кулон
Заряд одного электрона составляет 1,602 х 10-19 кулонов
-
Найти общий заряд, пройденный по цепи.
(0,601 ампер) (1 кулон / 1 ампер) (1802 с) = 1083 кулона -
Рассчитайте количество электронов при электролизе.
(1083 кулона) (1 электрон / 1,6022 х 1019 кул) = 6,759 х 1021 электрон -
Определите количество атомов меди, потерянных с анода.
Процесс электролиза потребляет два электрона на образовавшийся ион меди. Таким образом, количество образующихся ионов меди (II) составляет половину числа электронов.
Количество ионов Cu2 + = ½ числа измеренных электронов
Количество ионов Cu2 + = (6,752 x 1021 электронов) (1 Cu2 + / 2 электрона)
Количество ионов Cu2 + = 3,380 x 1021 ионов Cu2 + -
Рассчитайте количество ионов меди на грамм меди из числа указанных выше ионов меди и массы произведенных ионов меди.
Масса образующихся ионов меди равна потере массы анода. (Масса электронов настолько мала, что может быть незначительной, поэтому масса ионов меди (II) равна массе атомов меди.)
потеря массы электрода = масса ионов Cu2 + = 0,3554 г.
3,380 x 1021 ионов Cu2 + / 0,3544 г = 9,510 x 1021 ионов Cu2 + / г = 9,510 x 1021 атомов Cu / г -
Рассчитайте количество атомов меди на моль меди, 63,546 грамм.Атомы Cu / моль Cu = (9,510 x 1021 атомов меди / г меди) (63,546 г / моль меди) Атомы Cu / моль Cu = 6,040 x 1023 атомов меди / моль меди
Это измеренное студентом значение числа Авогадро! -
Рассчитать процентную ошибку.Абсолютная ошибка: | 6,02 х 1023 - 6,04 х 1023 | = 2 х 1021
Процентная ошибка: (2 x 10 21 / 6,02 x 10 23) (100) = 0,3%