כיצד לחשב את המספר של Avogadro באופן ניסיוני

המספר של אבוגדרו אינו יחידה הנגזרת מתמטית. מספר החלקיקים בשומה של חומר נקבע באופן ניסיוני. בשיטה זו משתמשים באלקטרוכימיה כדי לקבוע את ההחלטה. ייתכן שתרצה לבדוק את פעולותיו של תאים אלקטרוכימיים לפני שתנסה ניסוי זה.

המטרה היא לבצע מדידה ניסיונית של המספר של אבוגדרו.

ניתן להגדיר שומה כמסת הנוסחה של גרם או חומר המסה האטומית של יסוד בגרמים. בניסוי זה נמדדים זרימת אלקטרונים (זרם זרם או זרם) וזמן על מנת להשיג את מספר האלקטרונים העוברים בתא האלקטרוכימי. מספר האטומים במדגם שקול קשור לזרימת אלקטרונים לחישוב המספר של אבוגדרו.

בתא אלקטרוליטי זה שתי האלקטרודות הן נחושת והאלקטרוליט הוא 0.5 M H₂לכן₄. במהלך אלקטרוליזה אלקטרודת הנחושת (אנודה) המחובר לסיכה החיובית של ספק הכוח מאבדת מסה כאשר אטומי הנחושת מומרים ליוני נחושת. אובדן המסה עשוי להיראות כנקודה על פני האלקטרודה המתכתית. כמו כן, יוני הנחושת עוברים לתמיסת המים וגוונים אותם בכחול. באלקטרודה השנייה (קתודה), מימן משתחרר על פני השטח באמצעות הפחתה של יוני מימן בתמיסת חומצה גופרתית מימית. התגובה היא:
2 ח⁺(aq) + 2 אלקטרונים -> H₂(ז)
ניסוי זה מבוסס על אובדן המוני של אנודת הנחושת, אך ניתן גם לאסוף את גז המימן שהתפתח ולהשתמש בו כדי לחשב את המספר של אבוגדרו.

• מקור זרם ישר (סוללה או ספק כוח)
• חוטים מבודדים ואולי קליפי תנין לחיבור התאים
• 2 אלקטרודות (למשל, רצועות נחושת, ניקל, אבץ או ברזל)
• כוס 250 מ"ל של 0.5 מ"ט₂לכן₄ (חומצה גופרתית)
• מים
• אלכוהול (למשל, מתנול או אלכוהול איזופרופיל)
• כוס קטנה של 6 M HNO₃ (חומצה חנקתית)
• מד זרם או מולטימטר
• שעון עצר
• איזון אנליטי המסוגל למדוד עד 0.0001 גרם הקרוב ביותר

השג שתי אלקטרודות נחושת. נקה את האלקטרודה שישמשה כאנודה על ידי שקיעתה ב 6 M HNO₃ במכסה מנוע למשך 2-3 שניות. הסר את האלקטרודה מייד או שהחומצה תשמיד אותה. אל תיגע באלקטרודה באצבעותיך. שוטפים את האלקטרודה במי ברז נקיים. בשלב הבא טבלו את האלקטרודה בכוס אלכוהול. הניחו את האלקטרודה על מגבת נייר. כאשר האלקטרודה יבשה, שקלו אותה על איזון אנליטי עד 0.0001 גרם הקרוב.

המנגנון נראה באופן שטחי כמו תרשים זה של תא אלקטרוליטי מלבד שאתה משתמש בשני ספלים המחוברים באמצעות מד זרם ולא ביחד בין האלקטרודות לפיתרון. קח כוס עם 0.5 מ"ש₂לכן₄ (מאכל!) והניח אלקטרודה בכל כוס. לפני שתתחבר לחיבור כלשהו וודא כי ספק הכוח כבוי ולא מנותק (או חבר את הסוללה אחרונה). ספק הכוח מחובר למד זרם סדרה עם האלקטרודות. הקוטב החיובי של ספק הכוח מחובר לאנודה. הסיכה השלילית של מד זרם מחוברת לאנודה (או הכנס את הסיכה לפיתרון אם אתה חושש מהשינוי במסה ממתח תנין שורט את הנחושת). הקתודה מחוברת לפין החיובי של מד זרם. לבסוף, הקתודה של התא האלקטרוליטי מחוברת למוצא השלילי של הסוללה או אספקת החשמל. זכרו, מסת האנודה תתחיל להשתנות ברגע שאתה מפעיל את הכוחאז שיהיה שעון העצר שלך מוכן!

אתה זקוק למדידות זמן וזמן מדויקות. יש להקליט את הקלחים בפרקי זמן של דקה (60 שניות). היו מודעים לכך שהגודל יכול להיות משתנה במהלך הניסוי בגלל שינויים בתמיסת האלקטרוליטים, הטמפרטורה ומיקומם של האלקטרודות. הקולט המשמש בחישוב אמור להיות ממוצע של כל הקריאות. אפשר לזרם לזרום לפחות 1020 שניות (17.00 דקות). מדדו את הזמן לשנייה הקרובה ביותר או לשבריר שנייה. לאחר 1020 שניות (או יותר זמן) כבה את רשומת ספק הכוח את ערך ההספק האחרון ואת הזמן.

עכשיו אתה מוציא את האנודה מהתא, מייבש אותו כמו קודם על ידי טבלתו באלכוהול ומאפשר לו להתייבש על מגבת נייר, ושוקל אותו. אם תנגב את האנודה תסיר נחושת מהשטח ותפסול את עבודתך!

אם אתה יכול, חזור על הניסוי באמצעות אותן אלקטרודות.

המדידות הבאות נעשו:

אובדן מסת האנודה: 0.3554 גרם (גרם)
נוכחי (ממוצע): 0.601 אמפר (אמפר)
זמן האלקטרוליזה: 1802 שניות

זכור:
אמפר אחד = 1 קולומב / שנייה או אמפר אחד = 1 קולומב
המטען של אלקטרון אחד הוא 1.602 x 10-19 קולומב

1. מצא את המטען הכולל שעבר במעגל.
   (0.601 אמפר) (1 קול / 1 אמפר) (1802 שניות) = 1083 קול
2. חשב את מספר האלקטרונים שבאלקטרוליזה.
   (1083 קול) (אלקטרון 1 / 1.6022 x 1019 קול) = 6.759 x 1021 אלקטרונים
3. קבע את מספר אטומי הנחושת שאבדו מהאנודה.
   תהליך האלקטרוליזה צורך שני אלקטרונים לכל יון נחושת שנוצר. לפיכך, מספר הנחושת (II) שנוצרו הוא כמחצית ממספר האלקטרונים.
   מספר Cu2 + יוני = ½ מספר אלקטרונים שנמדדו
   מספר Cu2 + יוני = (6.752 x 1021 אלקטרונים) (1 Cu2 + / 2 אלקטרונים)
   מספר יונים Cu2 + = 3.380 x 1021 יונים Cu2 +
4. חשב את מספר יוני הנחושת לגרם נחושת ממספר יוני הנחושת שמעל ומסת יוני הנחושת המיוצרים.
   מסת יוני הנחושת המיוצרים שווה לאובדן המסה של האנודה. (מסת האלקטרונים קטנה כל כך שאינה זניחה, ולכן מסת יוני הנחושת (II) זהה למסת אטומי הנחושת.)
   אובדן המוני של אלקטרודה = מסת של Cu2 + יוני = 0.3554 גרם
   3.380 x 1021 Cu2 + יונים / 0.3544 גרם = 9.510 x 1021 Cu2 + יונים / גרם = 9.510 x 1021 Cu אטומים / גרם
5. חשב את מספר אטומי הנחושת בשומה של נחושת, 63.546 גרם.אטומי Cu / mol
   זהו הערך המדוד של התלמיד של המספר של אבוגדרו!
6. חשב שגיאת אחוזים.שגיאה מוחלטת: | 6.02 x 1023 - 6.04 x 1023 | = 2 x 1021
   אחוז שגיאה: (2 x 10 21 / 6.02 x 10 23) (100) = 0.3%