Elektrokémiai preparátum

Átírás

1 Elektrokémiai preparátum A laboratóriumi gyakorlat során elvégzendő feladat: Nátrium-hipoklorit oldat előállítása elektrokémiai úton; az oldat hipoklorit tartalmának meghatározása jodometriával. Daniell-elem modelljének összeállítása. Felkészülés a laboratóriumi gyakorlatra: Általános kémia előadás: Elektrokémia: elektrolízis, galvánelemek. A laboratóriumi elektronikus jegyzet (A9RF07B) 5.3. Redoxireakciók és egyensúlyok, Jodometria. A mérést két hallgató együtt végzi, de jegyzőkönyvet mindenki külön készít. 1. Feladat: Nátrium-hipoklorit elektrokémiai előállítása A nátrium-hipokloritot az egészségügyben, vízkezelésben és a háztartásokban (pl. Hypo, Domestos) is elterjedten használják fertőtlenítésre. Fertőtlenítő hatását erős oxidáló tulajdonságának köszönheti. Nagytömegű ipari előállítása során klórgázt nyeletnek el NaOH oldatban. Sok esetben azonban, amikor a terepi körülmények (pl. szennyezett ivóvíz tisztítása elmaradott vagy katasztrófa sújtotta területeken) vagy a különleges igények (tisztaság, magas hatóanyag-tartalom) nem teszik lehetővé a nagyipari termék alkalmazását, konyhasó oldatának közvetlen, diafragma nélküli elektrolízisével is előállítható a nátrium-hipoklorit. A konyhasó vizes oldatának elektrolízisekor a következő elektródreakciók játszódhatnak le: Az anódon: 1: 2 Cl Cl e 2: H 2 O 1/2 O H e (lúgos oldat esetén 2 OH 1/2 O 2 + H 2 O + 2 e ) A katódon: 3: H 2 O + 2 e 2 OH + H 2 A 3 reakció az elektrolit ph-ját lúgos irányba tolja el, az 1 reakcióban keletkező klórgáz pedig a lúgos elektrolittal reagálva hipokloritot hoz létre (diszproporcionálódik): 4: Cl OH ClO - + Cl + H 2 O A 2 reakció a hipoklorit előállításának szempontjából hátrányos. A hipoklorit termelését csökkenti a hipoklorit további diszproporciója, ami klorátot eredményez. A hőmérséklet növelése kedvez a következő egyenlet szerint a klorátképződésnek. Eért a konyhasó kb 80 o C hőmérsékleten végzett elektrolízisével klorát állítható elő 5: 3 ClO ClO Cl

2 Míg az anódos oxigénfejlődést az elektród anyagának megválasztásával, ill. a cellafeszültség megfelelő értékével minimalizálhatjuk, a klorát keletkezését az elektrolit hőmérsékletének alacsonyan tartásával akadályozhatjuk meg. Az elektrolizálás paraméterei: Cellafeszültség (U): A tápegységből rendelkezésre álló feszültségből, az áramkör ellenállásából és az elektrolizáló cella ellenállásából számítható. Meghatározza, hogy az elektródokon milyen reakciók mehetnek végbe (pl. a vízbontás minimális feszültsége 1,23 V, ami a 2 és 3 elektródreakciók standardpotenciáljának különbségéből adódik). A valóságban ennél nagyobb feszültségeket kell alkalmazni az elektródokon lejátszódó reakciók kinetikus gátoltsága (túlfeszültség) miatt. Áramerősség (I): Az időegység alatt a cellán áthaladó töltés mennyiség az áramerősség., A cellában lejátszódó összes elektrokémiai úton létrejövő termék mennyiségét a cellán áthaladt töltések mennyisége határozza meg. Konstans áram alkalmazása esetén az áramerősség és az eltelt idő szorzata adja a cellán áthaladt teljes töltés mennyiséget (Q = I t). Egy amperszekundum, azaz egy Coulomb töltés 1/96500 mol áthaladt elektronnak felel meg (Faraday I. törvénye). A cella ellenállása (R c ): Meghatározza, hogy adott feszültség mekkora áramot képes a cellán keresztüljuttatni. Függ a cellában oldott sók anyagi minőségétől és koncentrációjától (nagyobb sókoncentráció több töltéshordozót, így kisebb ellenállást jelent), az elektródok felületétől (A), az elektródok távolságától (l) és az elektrolit hőmérsékletétől (a fémes vezetőkkel ellentétben itt az ellenállás csökken a hőmérséklettel, hiszen a töltéshordozók mozgása gyorsul az elektrolitban). Az elektródok és az elektrolit paramétereinek ismeretében az R = ρ l A 1 képlettel számolható. Az anyagi minőség-, koncentráció- és hőmérsékletfüggést a ρ fajlagos ellenállás tartalmazza. A mérés menete: 1. Mérjünk egy 200 cm 3 -s főzőpohárba 17,5 g (~0,3 mol) NaCl-ot. Töltsük fel 100 cm 3 -re desztillált vízzel, majd lúgosítsuk 11-es ph-ig 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú NaOH-oldattal (a lúgosítás segíti a fejlődő klórgáz kezdeti elnyelődését). 2. Állítsuk össze az 3.1. ábrán látható kapcsolást az áramforrás negatív sarkának csatlakoztatása nélkül. 3. Állítsuk a potenciométert maximális ellenállású pozícióba (1 kω), merítsük be a grafitelektródokat az elektrolitba, majd csatlakoztassuk az áramforrás negatív sarkát. 4. Növeljük az áramerősséget a potenciométer ellenállásának csökkentésével az oktató által megadott értékre. Az elektródokon ekkor gázfejlődést figyelhetünk meg. 5. Mérjük meg és jegyezzük fel az elektródok között mérhető feszültséget.

3 6. Folytassuk az elektrolízist az oktató által megadott ideig. Az áramerősséget időről-időre újra be kell állítani, hiszen az elektrolit alkotóinak folyamatosan változik a koncentrációja, és változhat az elektrolit hőmérséklete is. 7. A megadott idő lejártával ismét mérjük meg az elektródok közötti feszültséget. 8. Jodometriás titrálás segítségével ( Jodometria) határozzuk meg az elektrolit valós hipoklorit tartalmát. 1. ábra: Az elektrolízis kapcsolási rajza A jegyzőkönyvben beadandó ábrák, számolások: 1. Az elektrolízis kapcsolási rajza. 2. A mért feszültségek és az áramerősség ismeretében számítsa ki a cella ellenállását az elektrolízis kezdetekor és végén! Milyen irányban változott, és mi okozhatta a változást? 3. Számolja ki a cellán áthaladt összes töltést az áramerősség és az idő ismeretében! 4. Számolja ki a cellán áthaladt elektronok mólszámát! Az 1. és 4. reakcióegyenletek segítségével állapítsa meg, mennyi hipoklorit keletkezhetne maximálisan! 5. Jodometriás titrálás segítségével határozza meg az elektrolit valós hipoklorit-tartalmát, majd számítsa ki a termelést! 2. feladat: Daniell-elem modelljének összeállítása A kémiai áramforrások a bennük önként végbemenő cellareakció energiáját közvetlenül elektromos munkává alakítják. A primer elemek elektródfolyamatai nem megfordíthatóak. A szekunder elemek (akkumulátorok) jó közelítéssel reverzibilisen működnek, eredeti állapotuk ellentétes irányú áram átvezetésével visszaállítható. Tüzelőanyag-elemnek olyan galvánelemeket

4 nevezünk, amelyben valamely szokásos energiahordozó (szénhidrogének, hidrogén, stb.) oxidációja szolgáltatja az áramot. A gyakorlat során réz ill. cinkelektródból állítunk össze galvánelemet. A mérés menete: 1. A réz és cink lemezek felületét tisztítsuk meg csiszolással, majd öblítsük le desztillált vízzel. 2. Egy kb. 2x5 cm-es szűrőpapírdarabkára egymástól 3 cm-re cseppentsünk 1 mol/dm 3 koncentrációjú ZnSO 4 ill. CuSO 4 oldatból egy egy cseppet. 3. A lemezeket helyezzük rá az oldataikkal megnedvesített felületre, majd az 1 mol/dm 3 -es KNO 3 oldatból a két lemez közé cseppentünk úgy, hogy a nedvesített területek átfedjék egymást (3.2. ábra). Kézi feszültségmérő műszerrel mérjük meg a fémlemezek között kialakult feszültséget! 2. ábra: Daniell-elem modellje A jegyzőkönyvben beadandó ábrák, számolások: 1. A Daniell-elem modelljének rajza. 2. A Nernst-egyenlet segítségével állapítsa meg az összeállított galvánelem elméleti elektromotoros erejét! E 0 Zn / Zn + = 0,76V és z + = + 0,34V (egy saját ionjainak oldatába z E 0 Cu / Cu 0 0,059 z+ merülő fémelektród potenciálját szobahőmérsékleten az EM = E z+ + lg[m ] M / M z egyenlet adja meg) 3. Miért kisebb ennél a gyakorlaton mért érték?

5 Elektrokémiai preparátum Mérési adatlap Név: Laborasztalszám: Dátum: Az elektrolízisre használt kapcsolás rajza: Az oktató által megadott áramerősség: Az elektrolízis ideje: Elektródok között mérhető feszültség az elektrolízis kezdetekor: Elektródok között mérhető feszültség az elektrolízis végén: A Daniell-elem mért elektromotoros ereje: A 0,1 mólos Na 2 S 2 O 3 -oldat fogyása:. cm 3. cm 3. cm 3 átlagos fogyás:. cm mérésvezető aláírása