Experimentele bepaling van het aantal van Avogadro

Het getal van Avogadro is geen wiskundig afgeleide eenheid. Het aantal deeltjes in een mol van een materiaal wordt experimenteel bepaald. Deze methode maakt gebruik van elektrochemie om de bepaling te maken. Misschien wilt u de werking van elektrochemische cellen bekijken voordat u dit experiment probeert.

Doel

Het doel is om een ​​experimentele meting van het aantal van Avogadro te maken.

Invoering

Een mol kan worden gedefinieerd als de gramformulemassa van een stof of de atoommassa van een element in gram. In dit experiment worden elektronenstroom (stroomsterkte of stroom) en tijd gemeten om het aantal elektronen te verkrijgen dat door de elektrochemische cel passeert. Het aantal atomen in een gewogen monster is gerelateerd aan elektronenstroom om het aantal van Avogadro te berekenen.

In deze elektrolytische cel zijn beide elektroden koper en is de elektrolyt 0,5 MH₂ZO₄. Tijdens elektrolyse verliest de koperelektrode (anode) die is verbonden met de positieve pin van de voeding massa terwijl de koperatomen worden omgezet in koperionen. Het massaverlies kan zichtbaar zijn als putjes in het oppervlak van de metalen elektrode. Ook gaan de koperionen in de wateroplossing en kleuren deze blauw. Bij de andere elektrode (kathode) komt waterstofgas vrij aan het oppervlak door de reductie van waterstofionen in de waterige zwavelzuuroplossing. De reactie is:
2 H⁺(aq) + 2 elektronen -> H₂(G)
Dit experiment is gebaseerd op het massaverlies van de koperanode, maar het is ook mogelijk om het ontwikkelde waterstofgas te verzamelen en te gebruiken om het aantal van Avogadro te berekenen.

materialen

• Een gelijkstroombron (batterij of voeding)
• Geïsoleerde draden en mogelijk krokodillenklemmen om de cellen te verbinden
• 2 Elektroden (bijv. Strips van koper, nikkel, zink of ijzer)
• Bekerglas van 250 ml van 0,5 M H₂ZO₄ (zwavelzuur)
• Water
• Alcohol (bijv. Methanol of isopropylalcohol)
• Een kleine beker van 6 M HNO₃ (salpeterzuur)
• Ampèremeter of multimeter
• Stopwatch
• Een analytische balans die tot op 0,0001 gram nauwkeurig kan meten

Procedure

Verkrijg twee koperen elektroden. Reinig de elektrode die als anode moet worden gebruikt door deze in 6 M HNO onder te dompelen₃ in een zuurkast gedurende 2-3 seconden. Verwijder de elektrode onmiddellijk of het zuur zal deze vernietigen. Raak de elektrode niet met uw vingers aan. Spoel de elektrode met schoon leidingwater. Dompel vervolgens de elektrode in een beker alcohol. Plaats de elektrode op een papieren handdoek. Wanneer de elektrode droog is, weeg deze op een analytische balans tot op 0,0001 gram nauwkeurig.

Het apparaat lijkt oppervlakkig op dit diagram van een elektrolytische cel behalve dat u twee bekers gebruikt die zijn verbonden door een ampèremeter in plaats van de elektroden samen in een oplossing te hebben. Neem bekerglas met 0,5 M H₂ZO₄ (corrosief!) en plaats een elektrode in elk bekerglas. Controleer voordat u aansluitingen maakt of de voeding is uitgeschakeld en de stekker niet in het stopcontact zit (of sluit de batterij als laatste aan). De voeding is verbonden met de ampèremeter in serie met de elektroden. De positieve pool van de voeding is verbonden met de anode. De negatieve pin van de ampèremeter is verbonden met de anode (of plaats de pin in de oplossing als u zich zorgen maakt over de verandering in massa van een krokodillenklem die het koper krast). De kathode is verbonden met de positieve pin van de ampèremeter. Ten slotte is de kathode van de elektrolytische cel verbonden met de negatieve pool van de batterij of voeding. Vergeet niet dat de massa van de anode zal beginnen te veranderen zodra u de stroom inschakelt, dus houd uw chronometer gereed!

U hebt nauwkeurige stroom- en tijdmetingen nodig. De stroomsterkte moet worden geregistreerd met intervallen van één minuut (60 sec). Houd er rekening mee dat de stroomsterkte tijdens het experiment kan variëren als gevolg van veranderingen in de elektrolytoplossing, temperatuur en positie van de elektroden. De stroomsterkte die in de berekening wordt gebruikt, moet een gemiddelde zijn van alle metingen. Laat de stroom minimaal 1020 seconden (17.00 minuten) stromen. Meet de tijd tot de dichtstbijzijnde seconde of fractie van een seconde. Schakel na 1020 seconden (of langer) de voeding uit en noteer de laatste stroomsterktewaarde en de tijd.

Nu haal je de anode uit de cel, droog je hem als voorheen door hem in alcohol onder te dompelen en hem op een papieren handdoek te laten drogen, en weeg je hem. Als u de anode veegt, verwijdert u koper van het oppervlak en maakt u uw werk ongeldig!

Herhaal het experiment met dezelfde elektroden als je kunt.

Voorbeeldberekening

De volgende metingen zijn verricht:

Verloren anodemassa: 0,3554 gram (g)
Stroom (gemiddeld): 0.601 ampère (amp)
Tijd van elektrolyse: 1802 seconden

Onthouden:
Eén ampère = 1 coulomb / seconde of één amp.s = 1 coulomb
De lading van één elektron is 1.602 x 10-19 coulomb

1. Vind de totale lading die door het circuit is gegaan.
   (0.601 amp) (1 coul / 1 amp-s) (1802 s) = 1083 coul
2. Bereken het aantal elektronen in de elektrolyse.
   (1083 coul) (1 elektron / 1.6022 x 1019coul) = 6.759 x 1021 elektronen
3. Bepaal het aantal koperatomen dat verloren is gegaan van de anode.
   Het elektrolyseproces verbruikt twee elektronen per gevormd koperion. Het aantal gevormde koper (II) -ionen is dus de helft van het aantal elektronen.
   Aantal Cu2 + ionen = ½ aantal gemeten elektronen
   Aantal Cu2 + ionen = (6.752 x 1021 elektronen) (1 Cu2 + / 2 elektronen)
   Aantal Cu2 + ionen = 3.380 x 1021 Cu2 + ionen
4. Bereken het aantal koperionen per gram koper uit het bovenstaande aantal koperionen en de geproduceerde massa koperionen.
   De massa van de geproduceerde koperionen is gelijk aan het massaverlies van de anode. (De massa van de elektronen is zo klein dat deze te verwaarlozen is, dus de massa van de koper (II) -ionen is dezelfde als de massa van koperatomen.)
   massaverlies van elektrode = massa van Cu2 + ionen = 0,3554 g
   3.380 x 1021 Cu2 + ionen / 0.3544g = 9.510 x 1021 Cu2 + ionen / g = 9.510 x 1021 Cu-atomen / g
5. Bereken het aantal koperatomen in een mol koper, 63.546 gram.Cu-atomen / mol Cu = (9.510 x 1021 koperatomen / g koper) (63.546 g / mol koper) Cu-atomen / mol Cu = 6.040 x 1023 koperatomen / mol koper
   Dit is de gemeten waarde van de student van het aantal van Avogadro!
6. Bereken percentage fout.Absolute fout: | 6.02 x 1023 - 6.04 x 1023 | = 2 x 1021
   Percentage fout: (2 x 10 21 / 6.02 x 10 23) (100) = 0,3%