Πώς να υπολογίσετε πειραματικά τον αριθμό του Avogadro

Ο αριθμός του Avogadro δεν είναι μια μαθηματικά παραγόμενη μονάδα. Ο αριθμός των σωματιδίων σε ένα γραμμομόριο υλικού προσδιορίζεται πειραματικά. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί ηλεκτροχημεία για να κάνει τον προσδιορισμό. Μπορεί να θέλετε να ελέγξετε τη λειτουργία του ηλεκτροχημικά κύτταρα πριν επιχειρήσετε αυτό το πείραμα.

Ο στόχος είναι να γίνει μια πειραματική μέτρηση του αριθμού του Avogadro.

Ένα mole μπορεί να οριστεί ως η μάζα τύπου γραμμαρίου μιας ουσίας ή η ατομική μάζα ενός στοιχείου σε γραμμάρια. Σε αυτό το πείραμα, μετράται η ροή ηλεκτρονίων (ένταση ή ρεύμα) και ο χρόνος για να ληφθεί ο αριθμός ηλεκτρονίων που διέρχονται από το ηλεκτροχημικό στοιχείο. Ο αριθμός των ατόμων σε ένα ζυγισμένο δείγμα σχετίζεται με τη ροή ηλεκτρονίων για τον υπολογισμό του αριθμού του Avogadro.

Σε αυτό το ηλεκτρολυτικό στοιχείο, και τα δύο ηλεκτρόδια είναι χαλκός και ο ηλεκτρολύτης είναι 0,5 Μ H₂ΕΤΣΙ₄. Κατά την ηλεκτρόλυση, το ηλεκτρόδιο χαλκού (άνοδος) συνδεδεμένος με τον θετικό πείρο της τροφοδοσίας χάνει μάζα καθώς τα άτομα χαλκού μετατρέπονται σε ιόντα χαλκού. Η απώλεια μάζας μπορεί να είναι ορατή ως διάτρηση της επιφάνειας του μεταλλικού ηλεκτροδίου. Επίσης, τα ιόντα χαλκού περνούν στο διάλυμα νερού και το χρωματίζουν μπλε. Στο άλλο ηλεκτρόδιο (

• Πηγή συνεχούς ρεύματος (μπαταρία ή τροφοδοτικό)
• Μονωμένα καλώδια και πιθανώς αλιγάτορα κλιπ για τη σύνδεση των στοιχείων
• 2 Ηλεκτρόδια (π.χ. ταινίες χαλκού, νικελίου, ψευδαργύρου ή σιδήρου)
• Ποτήρι ζέσεως των 250 ml 0,5 Μ H₂ΕΤΣΙ₄ (θειικό οξύ)
• Νερό
• Αλκοόλ (π.χ. μεθανόλη ή ισοπροπυλική αλκοόλη)
• Ένα μικρό ποτήρι 6 M HNO₃ (νιτρικό οξύ)
• Ammeter ή πολύμετρο
• Χρονόμετρο
• Αναλυτική ισορροπία ικανή μέτρησης στο πλησιέστερο 0,0001 γραμμάριο

Λάβετε δύο ηλεκτρόδια χαλκού. Καθαρίστε το ηλεκτρόδιο που θα χρησιμοποιηθεί ως άνοδο βυθίζοντας το σε 6 M HNO₃ σε απαγωγό για 2-3 δευτερόλεπτα. Αφαιρέστε αμέσως το ηλεκτρόδιο, διαφορετικά το οξύ θα το καταστρέψει. Μην αγγίζετε το ηλεκτρόδιο με τα δάχτυλά σας. Ξεπλύνετε το ηλεκτρόδιο με καθαρό νερό της βρύσης. Στη συνέχεια, βυθίστε το ηλεκτρόδιο σε ποτήρι αλκοόλης. Τοποθετήστε το ηλεκτρόδιο πάνω σε χαρτοπετσέτα. Όταν το ηλεκτρόδιο στεγνώσει, ζυγίστε το σε μια αναλυτική ισορροπία στο πλησιέστερο 0,0001 γραμμάριο.

Η συσκευή μοιάζει επιφανειακά με αυτό το διάγραμμα ενός ηλεκτρολυτικού στοιχείου εκτός ότι χρησιμοποιείτε δύο ποτήρια συνδεδεμένα με ένα αμπερόμετρο αντί να έχετε τα ηλεκτρόδια μαζί σε μια λύση. Πάρτε ποτήρι με 0,5 M H₂ΕΤΣΙ₄ (διαβρωτικό!) και τοποθετήστε ένα ηλεκτρόδιο σε κάθε ποτήρι. Πριν πραγματοποιήσετε οποιεσδήποτε συνδέσεις, βεβαιωθείτε ότι το τροφοδοτικό είναι απενεργοποιημένο και αποσυνδεδεμένο (ή συνδέστε την μπαταρία τελευταία). Η τροφοδοσία συνδέεται με το αμπερόμετρο σε σειρά με τα ηλεκτρόδια. Ο θετικός πόλος του τροφοδοτικού συνδέεται με την άνοδο. Ο αρνητικός πείρος του αμπερόμετρου συνδέεται με την άνοδο (ή τοποθετήστε τον πείρο στο διάλυμα εάν ανησυχείτε για την αλλαγή μάζας από ένα κλιπ αλιγάτορα που ξύνει το χαλκό). Η κάθοδος συνδέεται με το θετικό πείρο του αμπερόμετρου. Τέλος, η κάθοδος του ηλεκτρολυτικού στοιχείου συνδέεται με την αρνητική θέση της μπαταρίας ή του τροφοδοτικού. Θυμηθείτε, η μάζα της ανόδου θα αρχίσει να αλλάζει μόλις ενεργοποιήσετε την τροφοδοσία, οπότε ετοιμάστε το χρονόμετρο σας!

Χρειάζεστε ακριβείς μετρήσεις τρέχοντος και χρόνου. Η ένταση πρέπει να καταγράφεται σε διαστήματα ενός λεπτού (60 δευτερόλεπτα). Λάβετε υπόψη ότι η ένταση μπορεί να διαφέρει κατά τη διάρκεια του πειράματος λόγω αλλαγών στο διάλυμα ηλεκτρολύτη, τη θερμοκρασία και τη θέση των ηλεκτροδίων. Η ένταση που χρησιμοποιείται στον υπολογισμό πρέπει να είναι ο μέσος όρος όλων των μετρήσεων. Αφήστε το ρεύμα να ρέει για τουλάχιστον 1020 δευτερόλεπτα (17,00 λεπτά). Μετρήστε το χρόνο στο πλησιέστερο δευτερόλεπτο ή κλάσμα του δευτερολέπτου. Μετά από 1020 δευτερόλεπτα (ή περισσότερο) απενεργοποιήστε την εγγραφή τροφοδοσίας της τελευταίας τιμής έντασης και του χρόνου.

Τώρα ανακτάτε την άνοδο από το κελί, στεγνώνετε όπως πριν βυθίζοντας το σε αλκοόλ και αφήνοντάς το να στεγνώσει σε χαρτοπετσέτα και ζυγίστε το. Εάν σκουπίσετε την άνοδο, θα αφαιρέσετε τον χαλκό από την επιφάνεια και θα ακυρώσετε την εργασία σας!

Εάν μπορείτε, επαναλάβετε το πείραμα χρησιμοποιώντας τα ίδια ηλεκτρόδια.

Έγιναν οι ακόλουθες μετρήσεις:

Χαμένη μάζα ανόδου: 0,3554 γραμμάρια (g)
Τρέχουσα (μέση τιμή): 0,601 αμπέρ (ενισχυτής)
Χρόνος ηλεκτρόλυσης: 1802 δευτερόλεπτα

Θυμάμαι:
Ένα ampere = 1 coulomb / second ή ένα amp = 1 κουλόμβ
Η φόρτιση ενός ηλεκτρονίου είναι 1,602 x 10-19 coulomb

1. Βρείτε το συνολικό φορτίο που πέρασε μέσω του κυκλώματος.
   (0,601 amp) (1 coul / 1 amp) (1802 s) = 1083 coul
2. Υπολογίστε τον αριθμό ηλεκτρονίων στην ηλεκτρόλυση.
   (1083 coul) (1 ηλεκτρόνιο / 1,6022 x 1019coul) = 6,759 x 1021 ηλεκτρόνια
3. Προσδιορίστε τον αριθμό των ατόμων χαλκού που χάθηκαν από την άνοδο.
   Η διαδικασία ηλεκτρόλυσης καταναλώνει δύο ηλεκτρόνια ανά σχηματισμένο ιόν χαλκού. Έτσι, ο αριθμός των σχηματιζόμενων ιόντων χαλκού (II) είναι ο μισός αριθμός των ηλεκτρονίων.
   Αριθμός ιόντων Cu2 + = ½ αριθμός μετρημένων ηλεκτρονίων
   Αριθμός ιόντων Cu2 + = (6,752 x 1021 ηλεκτρόνια) (1 Cu2 + / 2 ηλεκτρόνια)
   Αριθμός ιόντων Cu2 + = 3,380 x 1021 ιόντα Cu2 +
4. Υπολογίστε τον αριθμό των ιόντων χαλκού ανά γραμμάριο χαλκού από τον αριθμό των ιόντων χαλκού παραπάνω και τη μάζα των ιόντων χαλκού που παράγονται.
   Η μάζα των ιόντων χαλκού που παράγονται είναι ίση με την απώλεια μάζας της ανόδου. (Η μάζα των ηλεκτρονίων είναι τόσο μικρή ώστε να είναι αμελητέα, έτσι η μάζα των ιόντων χαλκού (II) είναι ίδια με τη μάζα των ατόμων χαλκού.)
   απώλεια μάζας ηλεκτροδίου = μάζα Cu2 + ιόντων = 0,3554 g
   3,380 x 1021 Cu2 + ιόντα / 0,3544g = 9,510 x 1021 Cu2 + ιόντα / g = 9,510 x 1021 Cu άτομα / g
5. Υπολογίστε τον αριθμό ατόμων χαλκού σε ένα γραμμομόριο χαλκού, 63,546 γραμμάρια.Άτομα Cu / mole Cu = (9.510 x 1021 άτομα χαλκού / g χαλκού) (63.546 g / mole χαλκός) Άτομα Cu / mole Cu = 6.040 x 1023 άτομα χαλκού / γραμμομόριο χαλκού
   Αυτή είναι η μετρούμενη τιμή του αριθμού του Avogadro του μαθητή!
6. Υπολογίστε το ποσοστό σφάλματος.Απόλυτο σφάλμα: | 6,02 x 1023 - 6,04 x 1023 | = 2 x 1021
   Ποσοστό σφάλματος: (2 x 10 21 / 6,02 x 10 23) (100) = 0,3%