Determinazione sperimentale del numero di Avogadro

Il numero di Avogadro non è un'unità derivata matematicamente. Il numero di particelle in una talpa di un materiale è determinato sperimentalmente. Questo metodo utilizza l'elettrochimica per effettuare la determinazione. Potresti voler rivedere il funzionamento delle celle elettrochimiche prima di provare questo esperimento.

Scopo

L'obiettivo è effettuare una misurazione sperimentale del numero di Avogadro.

introduzione

Una talpa può essere definita come la massa della formula in grammi di una sostanza o la massa atomica di un elemento in grammi. In questo esperimento, il flusso di elettroni (amperaggio o corrente) e il tempo sono misurati al fine di ottenere il numero di elettroni che attraversano la cella elettrochimica. Il numero di atomi in un campione pesato è correlato al flusso di elettroni per calcolare il numero di Avogadro.

In questa cella elettrolitica, entrambi gli elettrodi sono in rame e l'elettrolita è 0,5 M H₂COSÌ₄. Durante l'elettrolisi, l'elettrodo di rame (anodo) collegato al pin positivo dell'alimentatore perde massa quando gli atomi di rame vengono convertiti in ioni rame. La perdita di massa può essere visibile come corrosione della superficie dell'elettrodo metallico. Inoltre, gli ioni rame passano nella soluzione acquosa e la colorano di blu. All'altro elettrodo (catodo), l'idrogeno gassoso viene liberato in superficie attraverso la riduzione degli ioni idrogeno nella soluzione acquosa di acido solforico. La reazione è:
2 ore⁺(aq) + 2 elettroni -> H₂(G)
Questo esperimento si basa sulla perdita di massa dell'anodo di rame, ma è anche possibile raccogliere l'idrogeno gassoso che si è evoluto e utilizzarlo per calcolare il numero di Avogadro.

materiale

• Una fonte di corrente continua (batteria o alimentatore)
• Fili isolati e possibilmente fermagli a coccodrillo per collegare le celle
• 2 elettrodi (ad es. Strisce di rame, nichel, zinco o ferro)
• Becher da 250 ml di 0,5 M H₂COSÌ₄ (acido solforico)
• acqua
• Alcol (ad es. Metanolo o alcool isopropilico)
• Un piccolo becher da 6 M HNO₃ (acido nitrico)
• Amperometro o multimetro
• Cronometro
• Una bilancia analitica in grado di misurare al più vicino 0,0001 grammi

Procedura

Ottieni due elettrodi di rame. Pulire l'elettrodo da utilizzare come anodo immergendolo in 6 M HNO₃ in una cappa per 2-3 secondi. Rimuovere prontamente l'elettrodo o l'acido lo distruggerà. Non toccare l'elettrodo con le dita. Risciacquare l'elettrodo con acqua di rubinetto pulita. Successivamente, immergi l'elettrodo in un bicchiere di alcol. Posizionare l'elettrodo su un tovagliolo di carta. Quando l'elettrodo è asciutto, pesarlo su una bilancia analitica ai 0,0001 grammi più vicini.

L'apparato assomiglia superficialmente a questo diagramma di una cella elettrolitica tranne che stai usando due becher collegati da un amperometro invece di avere gli elettrodi uniti in una soluzione. Prendi il becher con 0,5 M H₂COSÌ₄ (corrosivo!) e posizionare un elettrodo in ciascun becher. Prima di effettuare qualsiasi collegamento, assicurarsi che l'alimentazione sia disattivata e scollegata (o collegare l'ultima batteria). L'alimentazione è collegata all'amperometro in serie con gli elettrodi. Il polo positivo dell'alimentatore è collegato all'anodo. Il pin negativo dell'amperometro è collegato all'anodo (o posiziona il pin nella soluzione se sei preoccupato per il cambiamento di massa da una clip a coccodrillo che graffia il rame). Il catodo è collegato al pin positivo dell'amperometro. Infine, il catodo della cella elettrolitica è collegato al polo negativo della batteria o dell'alimentatore. Ricorda, la massa dell'anodo inizierà a cambiare non appena si accende l'alimentazione, quindi tieni pronto il cronometro!

Sono necessarie misurazioni accurate di tempo e corrente. L'amperaggio deve essere registrato a intervalli di un minuto (60 sec). Tenere presente che l'amperaggio può variare nel corso dell'esperimento a causa di cambiamenti nella soluzione elettrolitica, nella temperatura e nella posizione degli elettrodi. L'amperaggio utilizzato nel calcolo dovrebbe essere una media di tutte le letture. Lasciare scorrere la corrente per almeno 1020 secondi (17.00 minuti). Misura il tempo al secondo più vicino o la frazione di secondo. Dopo 1020 secondi (o più), spegnere l'alimentatore registrando l'ultimo valore di corrente e il tempo.

Ora recuperi l'anodo dalla cella, lo asciughi come prima immergendolo in alcool e lasciandolo asciugare su un tovagliolo di carta, e pesalo. Se si pulisce l'anodo, si rimuoverà il rame dalla superficie e si annullerà il lavoro!

Se puoi, ripeti l'esperimento usando gli stessi elettrodi.

Calcolo del campione

Sono state effettuate le seguenti misurazioni:

Massa anodica persa: 0,3554 grammi (g)
Corrente (media): 0,601 ampere (amp)
Tempo di elettrolisi: 1802 secondi

Ricorda:
Un ampere = 1 coulomb / secondo o un amp. S = 1 coulomb
La carica di un elettrone è 1.602 x 10-19 coulomb

1. Trova la carica totale passata attraverso il circuito.
   (0,601 amp) (1 coul / 1 amp-s) (1802 s) = 1083 coul
2. Calcola il numero di elettroni nell'elettrolisi.
   (1083 coul) (1 elettrone / 1.6022 x 1019coul) = 6.759 x 1021 elettroni
3. Determina il numero di atomi di rame persi dall'anodo.
   Il processo di elettrolisi consuma due elettroni per ogni ione rame formato. Pertanto, il numero di ioni rame (II) formati è la metà del numero di elettroni.
   Numero di ioni Cu2 + = ½ numero di elettroni misurati
   Numero di ioni Cu2 + = (6,752 x 1021 elettroni) (1 Cu2 + / 2 elettroni)
   Numero di ioni Cu2 + = 3.380 x 1021 ioni Cu2 +
4. Calcola il numero di ioni rame per grammo di rame dal numero di ioni rame sopra e la massa di ioni rame prodotta.
   La massa degli ioni di rame prodotta è uguale alla perdita di massa dell'anodo. (La massa degli elettroni è così piccola da essere trascurabile, quindi la massa degli ioni rame (II) è uguale alla massa degli atomi di rame.)
   perdita di massa dell'elettrodo = massa di Cu2 + ioni = 0,3554 g
   3.380 x 1021 Cu2 + ioni / 0.3544g = 9.510 x 1021 Cu2 + ioni / g = 9.510 x 1021 Cu atomi / g
5. Calcola il numero di atomi di rame in una talpa di rame, 63.546 grammi.Atomi di Cu / mole di Cu = (9.510 x 1021 atomi di rame / g di rame) (63.546 g / mole di rame) Atomi di Cu / mole di Cu = 6.040 x 1023 atomi di rame / mole di rame
   Questo è il valore misurato dallo studente del numero di Avogadro!
6. Calcola errore percentuale.Errore assoluto: | 6,02 x 1023 - 6,04 x 1023 | = 2 x 1021
   Errore percentuale: (2 x 10 21 / 6,02 x 10 23) (100) = 0,3%