Determinação da Carga Fundamental por Eletrólise

Determinação da Carga Fundamental por Eletrólise
Objetivos
A.
B.
Compreender o que significa eletrólise e explicar
como este processo permite a determinação da
carga elétrica fundamental e.
Determinar o valor de e a partir de medidas da
eletrólise do cobre.
Princípio
++
Cu do anodo, formando CuSO4 que volta a se dissociar
na solução. Assim a reação no anodo é:
0
Cu
→ Cu++ + 2e
(3)
SO4-- + Cu++ → CuSO4
Equipamento e material
Quando dissolvemos certos sais, ácidos ou bases num
solvente apropriado, obtemos um eletrólito, ou seja, uma
solução condutora de eletricidade. Isto ocorre por que, no
processo de dissolução (independentemente de qualquer
campo aplicado) as moléculas se dissociam em íons
positivos (cátions) e negativos (ânions), que se movem
desordenadamente pela solução.
Se aplicarmos um campo elétrico no interior de uma
solução desse tipo - o que pode ser feito mergulhando-se
dois eletrodos na solução e ligando-os aos terminais de
uma pilha ou gerador - observamos que os íons positivos
tenderão a mover-se no sentido do campo (para o
eletrodo negativo, ou catodo) e os íons negativos no
sentido contrário ao campo (para o eletrodo positivo, ou
anodo). Surgirá portanto uma corrente elétrica no interior
do eletrólito, causada pelo movimento desses íons.
Coulômetro de 3 eletrodos de cobre
1
Solução eletrolítica de Ottel
∼ 200 ml
Década de resistência (999,9 ohm)
1
Multímetro digital
1
Fonte DC (pilha ou gerador)
1
Cronômetro
1
Balança analítica (0,001 g)
1
Fios para conexão
4
Esponja de aço, sabão e alcool anidro.
Preparação e procedimentos
Como eletrólito, utiliza-se a seguinte solução, nas
concentrções abaixo especificadas, denominada solução
de Ottel:
CuSo4•5H2O ……………………..150 g
H2SO4 (concentrado) …………….50 g
Alcool ………………………………50 g
H2O (até completar 1 litro)
Fig. 1: Esquema do processo de eletrólise.
1.
Inicialmente prepara-se o circuito para as medidas
conforme a Fig. 2. Em seguida enche-se o copo do
coulômetro com a solução de Ottel até ums 2 cm da
borda.
Fig. 2 Montagem para eletrólise com coulômetro de três
eletrodos.
Ao chegarem aos eletrodos, os íons depositam-se neles
ou reagem quimicamente com os mesmos, no processo
conhecido por eletrose. A passagem de eletricidade pelo
eletrólito é denominada eletrólise.
Na determinação da carga fundamental e utilizaremos
como eletrólito o sulfato de cobre (CuSo4), diluido em
uma solução com ácido sulfúrico (H2SO4) e água, que se
dissocia, mantendo um equilíbrio dinâmico entre seus
íons:
++
+ SO4-CuSO4 ↔ Cu
(1)
Ao introduzirmos os eletrodos de cobre no eletrólito,
conectados à uma fonte DC como na Fig. 1, os íons Cu++
da solução dirigem-se para o catodo. Lá, cada íon
adquire dois elétrons, depositando-se no catodo como
átomo de Cu neutro. A reação no catodo é equacionada
como:
++
Cu
+ 2e → Cu0
(2)
O anodo por sua vez é dissolvido durante o processo de
eletrólise. Os íons SO4-- da solução reagem com os íons
2.
Limpe cuidadosamente as três lâminas de Cu. Numa
primeira etapa utilize esponja de aço e sabão
(manchas mais severas podem ser removidas com
o
lixa d’água n 0). Remova todas as manchas e
resíduos de sabão. A seguir introduza as lâminas
num becher com álcool isopropílico. Após um ou
dois minutos remova as lâminas e deixe-as secar
suspensas por grampos. Evite toca-las diretamente
usando uma pinça. Limpe também com cuidado os
contatos elétricos na tampa do coulômetro. Essa
etapa é fundamental para se obter um bom
resultado.
Instituto de Física – UFRJ / Prof. Máximo Ferreira da Silveira
1
Determinação da Carga Fundamental por Eletrólise
3.
4.
5.
6.
Fixe cuidadosamente as lâminas na tampa. Instale a
tampa sobre o copo, fechando assim o circuito de
medidas. Ajuste a tensão da fonte em cerca de 3 VDC
e a corrente em um valor próximo a 50 mA, com
auxílio da década de resistência ( correntes altas
produzem uma deposição muito instável de Cu que
podem se desprender facilmente das lâminas,
prejudicando a acurácia do resulto final). Verifique a
estabilidade da corrente por uns 20 a 30 minutos.
Registre o valor da resistência e da corrente
efetivamente alcançada. Em condições normais de
uso a corrente deverá manifestar uma pequena
variação no início e depois se manter rigorosamente
estável por toda a experiência. Se a estabilidade da
corrente não for observada, reveja os contatos
elétricos e a estabilidade da tensão. O que se
almeija nesta primeira etapa é a deposição de uma
fina camada de Cu sobre a lâmida de ganho
(catodo). Essa fina camada apresenta uma pureza
superior à da própria lâmina. A deposição eletrolítica,
como a cristalização, são processos de purificação
de materiais, muito usados na indústria e
laboratórios. A vantagem em se depositar essa
camada de Cu purificado é facilitar a deposição de
camadas ulteriores, contribuindo assim para uma
maior acurácia da medida.
Retire as lâminas do coulômetro lave-as
rapidamente em água corrente e em seguida em
álcool isopropílico. Deixe-as secar e em seguida
meça a massa das três lâminas cuidadosamente.
Cuidado para não tocar nas placas. Use pinças e
lenço de papel.
Fixe novamente as lâminas na tampa, com atenção
para mante-las nas mesmas posições da etapa
anterior. Instale a tampa sobre o copo fechando o
circuito e acione simultaneamente o cronômetro. A
corrente deve se estabilizar rapidamente no mesmo
nível anterior. Mantenha a corrente por pelo menos 2
horas.
Finalmente remova a tampa do coulômetro
interrompendo o circuito e anote o tempo decorrido.
Remova as lâminas, lave-as em água e em seguida
em álcool isopropílico. Coloque-as para secar e em
seguida meça suas massas. Determine então o
ganho de massa no catodo e a perda nos dois
anodos.
do íon, ou seja, seu átomo-grama dividido pela sua
valência.
A quantidade de carga necessária para depositar um
equivalente químico de uma substância é uma constante
bem definida, denominada faraday e representada pela
letra F. Um faraday deposita um átomo-grama de uma
substância monovalente, ou meio átomo-grama de uma
substância divalente, etc. Para depositar um átomograma de uma substância trivalente é necessária a
passagem de 3 faradays pelo eletrólito. Vemos assim o
motivo do aparecimento do equivalente químico c na eq.
4 pois podemos atribuir à constante de proporcionalidade
k o valor 1/F. Chamando de A o átomo-grama do íon em
questão e de v a sua valência, temos:
∆M = A.Q/F.v
Para aqueles que se interessarem por um texto mais
profundo sobre o fenômeno da eletrólise sugerimos a
leitura do cap.40 da referência [1].
Análise dos resultados
Por ser mais conveniente, medimos a quantidade de
cobre depositada no catodo. Determinando a massa do
catodo antes e depois da eletrólise, obtemos a massa de
cobre depositada durante o processo. Conhecendo o
valor da corrente que percorre o circuito e seu tempo de
duração calcula-se a carga total que passa pela solução:
Q = i.∆t
∆M = k.c.Q
1.
2.
A massa ∆M depositada no catodo, por efeito da
eletrólise, é diretamente proporcional à carga total Q
que passa pela solução.
Fixada a quantidade de carga, a massa depositada é
diretamente proporcional ao equivalente químico c
∆M = A.i.∆t/F.v
(7)
e = F/N0 = A.i.∆t/v.N0.∆M
(8)
Onde i, ∆M e ∆t são medidos no laboratório.
1.
Organize seus dados em tabelas com as massas
inicial e final nos eletrodos, a resistência da década,
a corrente elétrica e o tempo de eletrólise.
2.
A partir das medidas da massa final e inicial do
catodo, e com os dados de corrente e tempo de
eletrólise, calcule os valores de F e e com
respectivas incertezas.
3.
Compare o valor obtido para a carga fundamental
com o valor atualmente aceito [2] de :
(4)
Considerando, num caso particular , um íon positivo
(cátion) que chega ao eletrodo negativo (catodo) e, ao
depositar-se, adquiri os elétrons necessários para
neutralizar-se. Neste caso, podemos interpretar a eq. 4
da seguinte forma: - Leis de Faraday
(6)
O átomo-grama do Cu vale A= 63,54 g e sua valência é
23
conhecida (v=2). Com o valor de N0= 6,02 × 10 , temos:
Teoria e desenvolvimento
Michael Faraday, um físico e químico inglês, em 1833
formulou duas leis sobre eletrólise que levam o seu
nome. Ambas podem ser sintetizadas em uma única
expressão:
(5)
e = 1,60217733 ± 0,00000049) × 10-19 C
Bibliografia
1.
2.
Introduction to Physical Chemistry
G.I. Brown, Longmans, Green and Co. Ltd., London
(1968)
Physics Today - BG8a, august 1989
Instituto de Física – UFRJ / Prof. Máximo Ferreira da Silveira
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