Arbete TD5 Bestämning av transporttal

Transkript

1 Arbete TD5 Bestämning av transporttal 1. INLEDNING Såväl positiva som negativa joner deltar samtidigt i transporten av ström i en elektrolytlösning. Med jonens transporttal avses den andel av den totala elektriska strömmen som en viss jontyp transporterar. Den transporterade elmängden beror på jonernas koncentrationer och hastigheter. Eftersom anjonernas och katjonernas koncentrationer är identiska i en 1:1 elektrolyt beror den transporterade elmängden endast på jonernas relativa hastigheter. Anjonernas och katjonernas relativa hastigheter är vanligen olika och deras transporttal olika stora. Detta observerades först av Johann Hittorf (1854) då han undersökte koncentrationsförändringar vid elektroderna då en elektrisk ström rörde sig i elektrolytlösningen. Transporttalet för en jon definieras som den mängd elektrisk ström denna jon kan transportera genom en viss tvärsnittsyta i elektrolytlösningen i förhållande till den totala ström som transporteras genom denna yta. Mätningen av transporttalet sker genom att följa ett gränsskikts rörelse som funktion av tiden i ett transportrör. Gränsskiktets rörelser följs med hjälp av absorptionsspektroskopi. Mätningen genomförs automatiskt med programmet LabVIEW. 2. TEORI Jonens transporttal tk (andel av strömtransporten för jonen k) kan med hjälp av joners molära ledningsförmåga (konduktivitet) λ i skrivas som (1) t k = λ kc k = λ kc k i λ i c i κ där ci ör koncentrationen av jonen i och κ är elektrolytens ledningsförmåga. z I ett binärt system H 2 O + M + z v+ A v gäller elektroneutalitetsvillkoret och dissociationsekvationerna: (2) z + c + + z c = 0, (3) v + z + + v z = 0, (4) c ± = cv ±. 1

2 Då gäller för hela det binära systemet att (5) t ± = λ ± c ± λ + c + + λ c = v ± λ ± v + λ + + v λ Jonernas ledningsförmåga kan räknas ut med ekvation (5) ifall t± och κ är kända. I ett binärt system definieras den molära ledningsförmågan med ekvationen (6) Λ m = κ c. Då fås följande uttryck för transporttalet: (7) t ± = v ±λ ± Λ m (8) t + + t = 1. Då v+ = v- = 1 och z+ = z-, så är (9) t z = u ± u + + u och (10) Λ m = z ± (u + + u )F. Då kan man med hjälp av ekvation (7) skriva jonens rörlighet n± som (11) n ± = λ ± z ± F. De vanligaste metoderna för att mäta transporttalet är: 1. Rörliga gränsskikts-metoden 2

3 2. Hittorf-metoden som baserar sig på förändringar i koncentrationen vid anod- och katodtillstånd. 3. BEGREPP SOM ANKNYTER TILL ARBETE Ledningsförmåga (konduktivitet) och molär ledningsförmåga Joners rörlighet Rörliga gränsskikts- och Hittorf-metoden för att bestämma transporttal Absorptionspektroskopi Mätningsautomation och LabVIEW-programmering 4. ARBETETS UTFÖRANDE Obs! Före mätningen av transporttalet är det meningen att bekanta sig med LabVIEW-programmering genom att modifiera ett färdigt program. Närmare instruktioner finns i övningssalen i kompendiet Kuljetuslukutyöhön liittyvä LabVIEW ohjelmointiosuus. I rörliga gränsskikts-metoden placeras elektrolytlösningen M A som har den gemensamma jonen A - med elektrolyten MA i ett transportrör och ovanpå denna tillsätts elektrolytlösningen MA försiktigt så att ett skarpt gränsskikt bildas mellan lösningarna. Man låter ström passera genom transportröret och den sträcka som gränsskiktet rör sig som funktion av tiden mäts. Gränsskiktet syns klart speciellt då en av elektrolyterna är färgad. Om båda lösningarna är färglösa men har olika densitet kan gränsskiktet observeras tack vare lösningarnas olika brytningsindex. Då elmängden Q = Iτ har passerat genom rörets tvärsnitt har gränsskiktet i röret förflyttats från punkt a till punkt b. I volymen V mellan a och b har elektrolyten MA ersatts med elektrolyten M A på tiden τ. Om z koncentrationen av elektrolyten MA (i formen M + z v+ A v ) är c, har katjonerna M z+ transporterat andelen v + z + cvf av totalelmängden, F är Faradays konstant. Därmed är (12) t + Q = t + Iτ = v + z + cvf. ur vilken transporttalet för katjonen M z+ kan bestämmas då den elektriska strömmen, den använda tiden τ, koncentrationen c och volymen V är kända. 3

4 I detta arbete arbete tillämpas det rörliga gränskiktets metod så, att transportröret fylls helt med HCl som fungerar som lösning MA. Gränsskiktet bildas då Cu 2+ -joner som frigörs från anoden ersätter H + - jonerna. Detta leder till en förändring i surhet som kan observeras genom en färgförändring på indikatorn i transportröret. Som indikator används Kongo rött (Congo red). Gränsskiktets förflyttning följs med hjälp av absorptionsspektroskopi automatiserat genom att använda ett dataöverföringskort kopplat till en dator och programmet LabVIEW. Åtta stycken lasers (våglängd 650 nm) har placerats vinkelrätt mot transportrörets längdriktning med ca 12,5 mm avstånd mellan sig. På andra sidan röret har åtta stycken ljusdioder placerats för att mäta förändringen i intensitet på det ljus som passerar genom röret. Indikatorns färgförändring syns som en förändring i lösningens absorptionskoefficient vid laserns våglängdsområde och därmed förändras också intensiteten på det ljus som kommer igenom röret. Ljusdiodernas utgående spänning, som är proportionell mot det infallande ljuset, mäts med dataöverföringskortet som i sin tur styrs med programmet LabVIEW. I detta arbete används det färdiga programmet Kuljetuslukutyö.vi som är gjort i LabVIEW och hittas i mappen C:\Documents and Settings\All Users\Shared Documents\Labview-opetus\Kuljetuslukutyö\Kuljetuslukutyö Folder. I arbetet bestäms vätejonens transporttal i en 0,01 mol dm -3 HCl-lösning till vilken det sätts 15 droppar indikatorlösning (Kongo rött) per 100 ml lösning. Arbetet görs vid rumstemperatur och som strömstyrka används 1,0 ma. Transportröret och katodkärlet sköljs före mätningen omsorgsfullt med lösningen som mätningen utförs i. Röret stängs tätt i nedre ändan med proppen som innehåller anoden. Röret fylls med syralösningen som undersöks. Röret går enkelt att fylla genom en teflonslang med hjälp av en spruta. Katodkärlet fästs i rörets övre ända med en slip och fylls med samma lösning så att inga luftbubblor blir kvar i röret. Katoden fästs på sin plats. Kopplingsschemat som finns i övningssalen visar de nödvändiga kopplingarna och markeringarna på utrustningen. I arbetet används likspänning V. Arbeta försiktigt. Rör inte elektroder som är kopplade till strömkretsen, rör inte heller strömkällans poler. Då du har kopplat mätapparaturen, be den handledande assistenten kolla alla kopplingar innan apparaturen sätts på. Efter att strömmen kopplats på börjar gränsskiktet röra sig från anoden. Ställ in den önskade strömstyrkan, alltså 1,0 ma. Apparaturen håller strömstyrkan konstant genom att variera spänningen mellan elektroderna. Starta sedan programmet Kuljetustyö.vi genom att klicka på pilen i Runknappen. Mätningen tar litet över en timme. Använd markörer (Cursor 1-8) för att markera när 4

5 gränsytan är/har varit vid laserstrålen. Du kan se grafen över mätningen genom att klicka på knappen Tee kuvaaja?. Då mätningen är slut kan du stoppa den genom att klicka på knappen Lopeta mittaus ja tallenna data. Spara dina mätdata i den föreslagna mappen under ett lämpligt namn, t.ex lvm, där den första delen står för datumet och 00 står för den aktuella dagens löpande numrering. Använd t.ex. en USB-sticka för att föra mätfilen till en datorklass och öppna den på programmet Origin genom att använda Import Wizard-verktyget som finns i File/Import-menyn. Använd i övrigt de föreslagna inställningarna men välj Column Separator Delimiter = Space. Som slutresultat av detta borde du få en Origin-datatabell där x-kolumnen är tiden τ i sekunder och y-kolumnen är volymen V i milliliter. Rita upp en graf (Scatter) och anpassa en linje till mätdatat. De värden du får i anpassningen behöver du senare i dina beräkningar. Då mätningarna är slut, vrid strömbrytaren till 0-läget och stäng av strömkällan från huvudströmbrytaren. Ta först loss anodens (-) och sedan katodens (+) elektrodledningar. Först efter detta kan du ta isär och skölja transportrörsapparaturen. 5. BEHANDLING OCH PRESENTATION AV MÄTRESULTATEN Presentera grafiskt volymen V i milliliter som funktion av tiden τ samt linjen du anpassat och de parametrar du fick i anpassningen. Räkna ut transporttalen. Räkna vidare med hjälp av litteraturvärdena på Λ m ut jonernas molära rörligheter och ledningsförmågor. Jämför resultaten med litteraturvärdena. Vilka är elektrodreaktionerna? 6. LITTERATUR 1. Atkins, P.,W., Physical Chemistry, 5. p., Oxford 1994, s Alberty, R., A., Physical Chemistry, 7. p., Singapore 1987, s Litteraturvärdet för Λ är från källan Parsons, R., Handbook of Electrochemical Constants, Butterworths Scientific Publications, London, 1959, s

6 Λ m = Λ (1 a c + bc) där a = 0,37, b = 0,38 och Λ = 426 cm 2 Ω -1 mol -1 för HCl vid temperaturen 298 K och koncentrationen 0,01 mol dm -3. 6