Experimentell bestämning av Avogadros antal

Avogadros nummer är inte en matematisk härledd enhet. Antalet partiklar i en mol av ett material bestäms experimentellt. Denna metod använder elektrokemi för att bestämma. Du kanske vill granska arbetet med elektrokemiska celler innan du försöker detta experiment.

Ändamål

Målet är att göra en experimentell mätning av Avogadros antal.

Introduktion

En mol kan definieras som gramformelmassan för ett ämne eller atomens massa i ett gram. I detta experiment mäts elektronflöde (strömstyrka eller ström) och tid för att erhålla antalet elektron som passerar genom den elektrokemiska cellen. Antalet atomer i ett vägt prov är relaterat till elektronflödet för att beräkna Avogadros antal.

I denna elektrolytiska cell är båda elektroderna koppar och elektrolyten är 0,5 M H₂SÅ₄. Under elektrolysen förlorar kopparelektroden (anoden) ansluten till den positiva stiftet i strömförsörjningen massa när kopparatomerna omvandlas till kopparjoner. Massförlusten kan vara synlig när man tappar ytan på metallelektroden. Kopparjonerna passerar också in i vattenlösningen och tonar den blå. Vid den andra elektroden (katoden) frigörs vätgas vid ytan genom reduktion av vätejoner i den vattenhaltiga svavelsyralösningen. Reaktionen är:
2 H⁺(aq) + 2 elektroner -> H₂(G)
Detta experiment är baserat på massförlusten av kopparanoden, men det är också möjligt att samla vätgas som utvecklas och använda den för att beräkna Avogadros antal.

material

• En likströmskälla (batteri eller strömförsörjning)
• Isolerade ledningar och eventuellt alligatorklämmor för att ansluta cellerna
• 2 elektroder (t.ex. remsor koppar, nickel, zink eller järn)
• 250 ml bägare av 0,5 M H₂SÅ₄ (svavelsyra)
• Vatten
• Alkohol (t.ex. metanol eller isopropylalkohol)
• En liten bägare med 6 M HNO₃ (salpetersyra)
• Ammeter eller multimeter
• Stoppur
• En analytisk balans som kan mäta till närmaste 0,0001 gram

Procedur

Skaffa två kopparelektroder. Rengör elektroden som ska användas som anod genom att nedsänka den i 6 M HNO₃ i en kåpa i 2-3 sekunder. Avlägsna elektroden omedelbart så kommer syran att förstöra den. Rör inte elektroden med fingrarna. Skölj elektroden med rent kranvatten. Därefter doppar du elektroden i en bägare med alkohol. Placera elektroden på en pappershandduk. När elektroden är torr, väg den på en analytisk balans till närmaste 0,0001 gram.

Apparaten ser ytligt ut som detta diagram över en elektrolytisk cell bortsett från att du använder två bägare som är anslutna med en ammeter snarare än att ha elektroderna tillsammans i en lösning. Ta bägaren med 0,5 M H₂SÅ₄ (frätande!) och placera en elektrod i varje bägare. Innan du gör några anslutningar, se till att strömförsörjningen är av och frånkopplad (eller anslut batteriet sist). Strömförsörjningen är ansluten till ammetern i serie med elektroderna. Strömförsörjningens positiva pol är ansluten till anoden. Ampererns negativa stift är ansluten till anoden (eller placera stiftet i lösningen om du är bekymrad över förändringen i massan från en alligatorklämma som repar koppar). Katoden är ansluten till amperens positiva stift. Slutligen är katoden i den elektrolytiska cellen ansluten till batteriets eller strömförsörjningens negativa stolpe. Kom ihåg att anodens massa börjar förändras så snart du slår på strömmen, så ha din stoppur redo!

Du behöver noggranna mätningar av ström och tid. Strömstyrkan ska registreras med en minuts intervall (60 sek). Var medveten om att strömstyrkan kan variera under experimentets gång på grund av förändringar i elektrolytlösningen, temperaturen och positionen för elektroderna. Strömstyrkan som används vid beräkningen bör vara ett genomsnitt av alla avläsningar. Låt strömmen flöda i minst 1020 sekunder (17.00 minuter). Mät tiden till närmaste sekund eller bråkdel av en sekund. Efter 1020 sekunder (eller längre) stäng av strömförsörjningsregistret det sista strömvärdet och tiden.

Nu hämtar du anoden från cellen, torkar den som tidigare genom att nedsänka den i alkohol och låter den torka på en pappershandduk och väga den. Om du torker av anoden kommer du att ta bort koppar från ytan och ogiltiga ditt arbete!

Om du kan, upprepa experimentet med samma elektroder.

Provberäkning

Följande mätningar gjordes:

Förlorad anodmassa: 0,3554 gram (g)
Nuvarande (genomsnitt): 0,601 ampère (amp)
Elektrolystid: 1802 sekunder

Kom ihåg:
En ampere = 1 coulomb / sekund eller en ampere = 1 coulomb
Laddningen för en elektron är 1,602 x 10-19 coulomb

1. Hitta den totala laddningen som går genom kretsen.
   (0,601 amp) (1 coul / 1 amp-) (1802 s) = 1083 coul
2. Beräkna antalet elektroner i elektrolysen.
   (1083 coul) (1 elektron / 1,6022 x 1019 coul) = 6,759 x 1021 elektroner
3. Bestäm antalet kopparatomer som förlorats från anoden.
   Elektrolysprocessen förbrukar två elektroner per bildad kopparjon. Således är antalet bildade koppar (II) joner halva antalet elektroner.
   Antal Cu2 + joner = ½ antal uppmätta elektroner
   Antal Cu2 + joner = (6.752 x 1021 elektroner) (1 Cu2 + / 2 elektroner)
   Antal Cu2 + -joner = 3,380 x 1021 Cu2 + -joner
4. Beräkna antalet kopparjoner per gram koppar från antalet kopparjoner ovan och massan av producerade kopparjoner.
   Massan för de producerade kopparjoner är lika med massans förlust av anoden. (Elektronernas massa är så liten att den är försumbar, så massan av koppar (II) -jonerna är densamma som massan av kopparatomer.)
   massförlust av elektrod = massa av Cu2 + joner = 0,3554 g
   3,380 x 1021 Cu2 + joner / 0,3544 g = 9,510 x 1021 Cu2 + joner / g = 9,510 x 1021 Cu-atomer / g
5. Beräkna antalet kopparatomer i en mol koppar, 63,546 gram.Cu-atomer / mol Cu = (9.510 x 1021 kopparatomer / g koppar) (63.546 g / mol koppar) Cu-atomer / mol Cu = 6.040 x 1023 kopparatomer / mol koppar
   Detta är elevens uppmätta värde på Avogadros antal!
6. Beräkna procentfel.Absolut fel: | 6,02 x 1023 - 6,04 x 1023 | = 2 x 1021
   Procentfel: (2 x 10 21 / 6.02 x 10 23) (100) = 0,3%