7.50. Vízbontás Hoffmann-féle készülékkel. A Faraday-állandó értékének nagyságrendi meghatározása

A kísérlet célja  

Vízbontás elektrolízissel, a Faraday-állandó értékének nagyságrendi meghatározása a fejlődő gázok tárfogatából

Szükséges anyagok, eszközök

• Hoffmann-féle vízbontó készülék
• egyenáramú tápegység
• árammérő
• röpzsinórok
• híg kénsavoldat (H₂SO₄-oldat)

Leírás

A Hoffmann-féle vízbontó készülék egy háromágú közlekedőedény. Két szélső ágának felső vége üvegcsappal elzárható. Középső ága fent tartályként kiöblösödik. Ide kell tölteni a híg kénsavoldatot. Töltsük fel a készüléket a csapok nyitott állásában úgy, hogy teljesen és buborékmentesen tele legyenek a csövek az oldattal!

Vigyázat!

Ügyeljünk arra, hogy a kénsav sehova se csöpögjön, ruhánkra ne kerüljön! A kísérlethez használt híg kénsav önmagában nem veszélyes, de idővel betöményedik és a bőrt, ruhát roncsolja! Lecsöppenés esetén bő vízzel történő mosás, öblítés szükséges!

Zárjuk el a csapokat és kapcsoljunk az elektródokra 24 V egyenfeszültséget, árammérő közbeiktatásával.

Feladat

• Elektrolizáljunk néhány percen keresztül, hogy 1-2 cm-es gázoszlop jelenjen meg a két szélső szár tetején a csapok alatt. Erre azért van szükség, hogy a folyadék telítődjön a fejlődő gázokkal. Kapcsoljuk le a feszültségforrást és engedjük ki a gázokat, majd zárjuk el a csapokat! Ezután kezdődhet a mérés.
• Kapcsoljuk be az elektrolizáló feszültséget! Kb. kétpercenként olvassuk le a fejlődő hidrogén- és oxigéngáz térfogatát! Ehhez minden alkalommal kapcsoljuk le a feszültséget, várjuk meg, míg a buborékok felszállnak. Leolvasás után indíthatjuk újra az áramot. Jegyezzük fel minden alkalommal az áramerősséget is. Ennek ideális esetben jó közelítéssel végig állandónak kell lennie!
• Amikor már kivált annyi gáz, hogy az egyik szárban kb. 5 cm, a másikban kb. 10 cm magasságú gázoszlop alakult ki, szüntessük be az elektrolízist! Olvassuk le és jegyezzük fel a szükséges adatokat és számítsuk ki a Faraday-állandó értékét a fejlődő hidrogén összmennyiségéből!

Segítség a számításhoz:

• A hidrogéngáz az elektrolizáló cella – pólusán fejlődik, az oxigéngáz a + póluson.
• A reakcióegyenlet alapján vízből kétszer akkora anyagmennyiségű hidrogéngáz fejlődik, mint oxigéngáz (ld. reakcióegyenlet). Mivel azonos állapotú gázok anyagmennyisége és térfogata egyenesen arányos, ezért tapasztaljuk, hogy hidrogéngázból kétszer akkora térfogat keletkezett.
• Határozzuk meg a keletkezett hidrogén anyagmennyiségét! Ezt az ideális gáz állapotegyenlete alapján tudjuk megtenni. A térfogat a vízbontóról közvetlenül leolvasható! Emellett a hőmérsékletet kell még lemérni.  A bezárt gáz nyomását a külső légnyomás és a középső szárban lévő folyadékoszlop hidrosztatikai nyomásának összegeként számíthatjuk ki.
• A reakcióegyenletből látszik, hogy 2 mol hidrogéngáz keletkezéséhez 4 mol elektron áthaladása szükséges. Így kiszámíthatjuk a reakcióban résztvevő elektronok mennyiségét.
• Az elektrolízis során áthaladt töltések mennyiségét az áramerősség és az eltelt idő szorzataként számíthatjuk ki. Ezeket a töltéseket az elektronok szállították. Ha tehát ezt a töltésmennyiséget elosztjuk az elektronok anyagmennyiségével, megkapjuk az elektronok moláris töltését, azaz a Faraday-állandót.
• Vessük össze a kapott értéket az irodalmi értékkel!
• Számítsuk ki a kapott értékből az elemi töltés nagyságát és ezt is vessük össze az irodalmi értékkel!

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

• Miért kénsavoldatot elektrolizálunk és nem desztillált vizet? Milyen anyagok híg oldata alkalmas még vízbontásra?