ปฎิบัติการเคมีทั่วไป 2 (General Chemistry Lab.2) ปฎิบัติการที่7 การแยกสลายด้วยไฟฟ้า

1. หลักการ

1.1. ในการต่อระบบไฟฟ้าเคมีชนิดหนึ่ง หากแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลล์มีค่าเป็นบวกแสดงว่าเซลล์ไฟฟ้านี้สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ หรือกล่าวได้ว่ามีปฎิกิริยาหรือการเปลี่ยนแปลงทางเคมีเกิดขึ้นภายในเซลล์ไฟฟ้านั้นได้เอง แต่ถ้าแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลล์มีค่าเป็นลบ ก็จะหมายถึงเซลลล์ไฟฟ้านี้ไม่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ หรือไม่มีปฎิกิริยาเคมีเกิดขึ้นภายในเซลล์นั่นเอง การทำให้เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่มีค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าเป็นลบเกิดปฎิกิริยาขึ้นได้นั้นจะต้องมีพลังงานจากแหล่งไฟฟ้าภายนอกใส่เข้าไป ซึ่งกระบวนการเกิดปฎิกิริยา หรือการเปลี่ยนแปลงทางเคมีโดยอาศัยพลังงงานไฟฟ้าจากภายนอกนี้เราจะเรียกว่า "การแยกสลายด้วยไฟฟ้า(eletrolysis)" ส่วนประกอบที่สำคัญของกระบวนการการแยกสลายด้วยไฟฟ้า คือ แหล่งให้พลังงานไฟฟ้า ขั้วไฟฟ้า(electrod) และสารละลายอิเล็กโทรไลต์(electrolyte)ซึ่งก็คือสารละลายที่มีสมบัตินำไฟฟ้าได้ ใช้เป็นตัวกลางเพื่อให้กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านตัวนำจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด(หรืออิเล็กตรอนไหล) เมื่อนำส่วนประกอบต่างๆมาประกอบกันจะเรียกเซลล์นี้ว่า "เซลล์อิเล็กโทรไลติก(Electrolytic cell)" ขั้วไฟฟ้าในเซลล์นี้จะมีอยู่2ขั้วคือขั้วแอโนด(-)และขั้วแคโทด(+)ซึ่งเป็นขั้วที่เกิดปฎิกิริยารีดักชันพอใส่พลังงานไฟฟ้าภายนอกเข้าไปแล้ว จากนั้นก็จึงป้อนความต่างศักย์ให้กับเซลล์ เราเรียกค่าความต่างศักย์ที่ป้อนเข้าไปให้กับเซลล์แล้ว เซลล์เริ่มเกิดกระบวนการการแยกสลายด้วยไฟฟ้าขึ้นว่า"ศักย์ไฟฟ้าของการสลายตัว(decompostion potential)" ค่านี้จะแตกต่างกันตามชนิดของสารที่ทำปฎิกิริยา และชนิดของขั้วไฟฟ้าที่ใช้ในการทำการแยกสลายด้วยไฟฟ้า จากที่กล่าวมาสามารถสรุปได้ว่า ในการทำการแยกสลยาด้วยไฟฟ้าทั่วไปจะต้องป้อนพลังงานไฟฟ้าเข้าไปเพื่อให้ค่าความต่างศักย์ของขั้วไฟฟ้าที่ใช้งานมากกว่าค่าศักยืไฟฟ้าของการแยกสลายตัวของปฎิกิริยา การแยกสลายด้วยไฟฟ้าชนิดนั้นๆ นอกจากจะต้องคำนึงถึงค่าความต่างศักย์แล้ว สิ่งที่เป็นตัวกำหนดปริมาณผลิตภัณฑ์ที่จะเกิดจากกระบวนการการแยกสลายด้วยไฟฟ้าก็คือ ปริมาณไฟฟ้า(Q หน่วยเป็น คูลอมบ์,C)นั่นเอง ค่านี้จะสัมพันธ์กับกระแสไฟฟ้าที่ป้อนให้กับเซลล์(I หน่วยเป็น แอมแปร์,A) และเวลาที่ใช้ในกระบวนการแยกสลายด้วยไฟฟ้า(t หน่วยเป็น วินาที,s) "Q=It" จากกฎของฟาราเดย์เกี่ยวกับการแยกสลายด้วยไฟฟ้า กล่าวว่า"ในการทำการแยกสลายด้วยไฟฟ้าของสารละลายแต่ละระบบ น้ำหนักของสารที่เกิดขึ้นหรือหายไปที่ขั้วไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณไฟฟ้าที่ป้อนเข้าไปในสารละลายระบบนั้น " นั้นคือ ปริมาณไฟฟ้า 96,500 C จะเท่ากับปริมาณ ไฟฟ้าของประจุอิเล็กตรอน 1โมล และจะมีค่าเท่ากับปริมาณสารที่เกิดขึ้น หรือลดลงจำนวน 1 โมล

2. สารเคมี

2.1. กรดซัลฟิวริก ความเข้มข้น 0.5 M (0.5 M sulfuric acid)

3. การคำนวณ

3.1. 1. การหาน้ำหนักของอะตอมทองแดงจากปริมาณไฟฟ้าที่ใช้ ถ้ามีปริมาณไฟฟ้า2*96,500 คูลอมบ์ จะทำให้ทองแดงละลายออกมา 1 โมล จากการทดลอง ใช้ปริมาณไฟฟ้า Q=It คูลอมบ์ ทำให้ทองแดงละลายออกมาเท่ากับ m(Cu) กรัม ถ้าปริมาณไฟฟ้า 2*96,500 คูลอมบ์ จะทำให้ทองแดงละลายออกมาหรือน้ำหนักอะตอมของทองแดงจะมีค่าเท่ากับ m(Cu)*2*96,500/It กรัม

3.2. 2. การหาน้ำหนักอะตอมของทองแดงจากปริมาตรก๊าซไฮโดรเจนที่เกิดขึ้น ถ้าเกิดก๊าซไฮโดรเจน 1 โมล ทองแดงจะละลายไป 1 โมลด้วย ดังนนั้นต้องหาจำนวนโมลของก๊าวไฮโดรเจนที่เกิดขึ้น ซึ่งคำนวณได้จากสมการก๊าซสมบูรณ์แบบคือ PV=nRT หรือ n=PV/RT เมื่อ n = จำนวนโมลของก๊าซไฮโดรเจน R = ค่าคงที่ของก๊าซ เท่ากับ 0.0821 ลิตร.บรรยากาศ/โมล.เคลวิน T = อุณหภูมิของก๊าซไฮโดรเจน ซึ่งถือว่าเท่ากับอุณหภูมิห้อง(เคลวิน) V = ปริมาตรของก๊าซไฮโดรเจน(ลิตร) P = ความดันของก๊าซไฮโดรเจน(บรรยากาศ)หาได้จากสมการข้างล่าง P(บรรยากาศ) = P(ไอน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิห้อง) +P(เนื่องจากความสูงของน้ำh)+P(ก๊าซไฮโดรเจน) สำหรับP(บรรยากาศ)ในการทดลองให้ใช้ที่ 1 บรรยากาศหรือ760 มม ปรอท P(เนื่องจากความสูงของน้ำh)=10h/(13.6*760) บรรยากาศ เมื่อ h คือความสูง(หน่วยเป็นเซนติเมตร)ที่วัดจากผิวหน้าของสารละลายในบีกเกอร์ขึ้นไปจนถึงผิวหน้าของสารละละยบิวเรต

4. วัตถุประสงค์

4.1. 1. เพื่อศึกษาหลักการของกระบวนการการแยกสลายด้วยไฟฟ้า(electrolysisi)

4.2. 2. เพื่อศึกษาวิธีการแยกสลายด้วยไฟฟ้าของน้ำ

4.3. 3. เพื่อหาน้ำหนักอะตอมของทองแดง(Cu)โดยวิธีทางการแยกสลายด้วยไฟฟ้า

5. การทดลอง

5.1. อุปกรณ์

5.1.1. 1.บีกเกอร์ขนาด 250 ลบ.ซม.

5.1.2. 2.กระบอกตวง 50 ลบ.ซม.

5.1.3. 3.บิวเรตขนาด 50 ลบ.ซม.

5.1.4. 4.ขั้วไฟฟ้าทำด้วยลวดนิโครมที่มีหลอดหุ้ม

5.1.5. 5.ขั้วไฟฟ้าทำด้วยลวดทองแดง

5.1.6. 6.นาฬิกาจับเวลา

5.1.7. 7.แอมป์มิเตอร์ 100*2 mA พร้อมกับตัวต้านท้านที่ปรับค่าได้

5.1.8. 8.เครื่องจ่ายกระแสไฟฟ้าตรง

5.1.9. 9.ไม้บรรทัด

6. วิธีการทดลอง

6.1. 1. นำลวดทองแดงและลวดนิโครมมาขัดให้สะอาดด้วยกระดาษทราย แล้วนำไปชั้งให้รู้น้ำหนักที่แน่นอน บันทึกน้ำหนักไว้

6.2. 2.จัดตั้งอุปกรณ์ โดยงอลวดทองแดงและลวดนิโครมจากนั้นนำมาสอดเข้าที่ปลายบิวเรตที่ค่ำอยู่ในบีกเกอร์ขนาด250ลบ.ซม. โดยให้ปลายลวดทองแดงเสมอกับลววดนิโครม

6.3. 3.เติมสารละลาย 0.5 M กรดซัลฟิวริก จำนวน 150 ลบ.ซม. ลงในบีกเกอร์

6.4. 4.ดูดสารละลายในบีกเกอร์ให้มาอยู่ในบิวเรต โดยการไขก๊อกปิดเปิดของบิวเรต แล้วใช้ลูกยางดูดสารละลายจนกระทั่งระดับสารละลายกรดในบิวเรตขึ้นไปสูงประมาณขีดปริมาตร 45-50 ลบ.ซม. บันทึกระดับสารละลายที่แน่นอนในบิวเรต

6.5. 5.ใช้คลิปที่ต่อเข้ากับขั้วลบของเครื่องจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงคีบเข้าที่ลวดนิดครม และคลิปที่ต่อผ่านแอนป์มิเตอร์คีบเข้าที่ลวดทองแดง

6.6. 6.จ่ายไฟให้กับระบบ พร้อมกับเริ่มจับเวลา

6.7. 7.ปรับปุ่มของตัวต้านทานที่ปรับค่าได้ จนเข็มของแอมป์มิเตอร์อ่านค่าได้ 200 mA ในขั้นนี้จะสังเกตเห็นก๊าซไฮโดรเจนเกิดขึ้นที่ลวดนิโครม(และเมื่อเวลาผ่านไปนานขึ้นจะสังเกตเห็นตะกอนของทองแดงเกิดขึ้นด้วย)

6.8. 8.ปล่อยให้ปฎิกิริยาดำเนินต่อไปพร้อมทั้งคอยควบคุมกระแสไฟฟ้าให้คงที่ โดยการปรับตัวต้านทานที่ปรับค่าได้ หลังจากที่เก็บก๊าซไฮโดรเจนเกิดขึ้นในบิวเรตได้ประมาณ 30-35 ลบ.ซม. แล้วให้หยุดทำการทดลอง(ในช่วงนี้สารละลายจะมีสีฟ้าอ่อน โดยการปิดแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง พร้อมทั้งหยุดจับเวลา)

6.9. 9.อ่านระดับของสารละลายที่เหลืออยู่ในบิวเรต วัดความสูงของสารละลายที่เหลือในบิวเรตโดยใช้ไม้บรรทัด และเวลาที่ใช้ทำการทดลอง บันทึกผลการทดลองที่ได้

6.10. 10.ปลดคลิปปากลวดทั้งสองออก นำลวดทองแดงไปล้างน้ำให้สะอาด แล้วเช็ดให้แห้ง นำลวดทองแดงเส้นนี้ไปชั่งให้รู้น้ำหนักที่แน่นอน บันทึกผลการทดลองที่ได้

6.11. 11.วัดอุณหภูมิ และความดันของห้องปฎิบัติการในขณะทำการทดลอง จดบันทึกไว้

6.12. 12.ทำการทดลองซ้ำในข้อ1-9อีกครั้งโดยใช้ลวดทองแดงเส้นเดิมแต่เปลี่ยนสารละลาย 0.5 M กรดซัลฟิวริกใหม่

6.13. 13.คำนวณหาน้ำหนักอะตอมของทองแดงจากปริมาณไฟฟ้าที่ใช้

6.14. 14.คำนวณหาน้ำหนักอะตอมของทองแดงจากปริมาตรก๊าซไฮโดรเจนที่เกิดขึ้น

6.15. 15.หาความผิดพลาดร้อยละของน้ำหนักอะตอมที่ได้ในการคำนวณจากปริมาณไฟฟ้าที่ใช้ และปริมาตรกีวไฮโดรเจนที่เกิดขึ้น ดดยเทียบกับน้ำหนักอะตอมทองแดงตามค่าจริง ซึ่งมีค่าเท่ากับ 63.55