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Détermination expérimentale du nombre d'Avogadro

Détermination expérimentale du nombre d'Avogadro

Le nombre d'Avogadro n'est pas une unité dérivée mathématiquement. Le nombre de particules dans une mole de matériau est déterminé expérimentalement. Cette méthode utilise l'électrochimie pour effectuer la détermination. Vous voudrez peut-être examiner le fonctionnement des cellules électrochimiques avant de tenter cette expérience.

Objectif

L'objectif est de faire une mesure expérimentale du nombre d'Avogadro.

Introduction

Une mole peut être définie comme la masse de la formule en grammes d'une substance ou la masse atomique d'un élément en grammes. Dans cette expérience, le flux d'électrons (intensité ou courant) et le temps sont mesurés afin d'obtenir le nombre d'électrons traversant la cellule électrochimique. Le nombre d'atomes dans un échantillon pesé est lié au flux d'électrons pour calculer le nombre d'Avogadro.

Dans cette cellule électrolytique, les deux électrodes sont en cuivre et l'électrolyte est 0,5 MH2ALORS4. Pendant l'électrolyse, l'électrode en cuivre (anode) connectée à la broche positive de l'alimentation perd de la masse lorsque les atomes de cuivre sont convertis en ions cuivre. La perte de masse peut être visible sous forme de piqûres à la surface de l'électrode métallique. De plus, les ions de cuivre passent dans la solution d’eau et la teignent en bleu. Sur l'autre électrode (cathode), de l'hydrogène est libéré à la surface par réduction des ions hydrogène dans la solution aqueuse d'acide sulfurique. La réaction est:
2 h+(aq) + 2 électrons -> H2(g)
Cette expérience est basée sur la perte de masse de l'anode en cuivre, mais il est également possible de collecter l'hydrogène gazeux dégagé et de l'utiliser pour calculer le nombre d'Avogadro.

Matériaux

  • Une source de courant continu (batterie ou alimentation)
  • Fils isolés et éventuellement pinces croco pour connecter les cellules
  • 2 électrodes (par exemple, des bandes de cuivre, de nickel, de zinc ou de fer)
  • Bécher de 250 ml de 0,5 MH2ALORS4 (acide sulfurique)
  • Eau
  • Alcool (par exemple, méthanol ou alcool isopropylique)
  • Un petit gobelet de 6 M HNO3 (acide nitrique)
  • Ampèremètre ou multimètre
  • Chronomètre
  • Une balance analytique capable de mesurer à 0,0001 gramme près

Procédure

Obtenir deux électrodes de cuivre. Nettoyez l’électrode à utiliser comme anode en la plongeant dans du HNO 6 M3 dans une hotte pendant 2-3 secondes. Enlevez l'électrode rapidement ou l'acide le détruira. Ne touchez pas l'électrode avec vos doigts. Rincer l'électrode à l'eau claire du robinet. Ensuite, plongez l'électrode dans un bécher d'alcool. Placez l'électrode sur une serviette en papier. Lorsque l'électrode est sèche, pesez-la sur une balance analytique à 0,0001 gramme près.

L'appareil ressemble superficiellement à ce schéma d'une cellule électrolytique sauf que vous utilisez deux béchers reliés par un ampèremètre plutôt que les électrodes réunies dans une solution. Prendre le bécher avec 0.5 MH2ALORS4 (corrosif!) et placez une électrode dans chaque bécher. Avant d’effectuer toute connexion, assurez-vous que l’alimentation est coupée et débranchée (ou branchez la batterie en dernier). L'alimentation est connectée à l'ampèremètre en série avec les électrodes. Le pôle positif de l'alimentation est connecté à l'anode. La broche négative de l'ampèremètre est connectée à l'anode (ou placez la broche dans la solution si le changement de masse dû à une pince crocodile grattant le cuivre vous inquiète). La cathode est connectée à la broche positive de l'ampèremètre. Enfin, la cathode de la cellule électrolytique est connectée à la borne négative de la batterie ou de l’alimentation. Rappelez-vous, la masse de l'anode commencera à changer dès que vous allumez l'appareilalors préparez votre chronomètre!

Vous avez besoin de mesures de courant et de temps précises. L'ampérage doit être enregistré toutes les minutes (60 secondes). Sachez que l'intensité de l'ampérage peut varier au cours de l'expérience en raison de modifications de la solution d'électrolyte, de la température et de la position des électrodes. L'ampérage utilisé dans le calcul doit être une moyenne de toutes les lectures. Laissez le courant circuler pendant au moins 1020 secondes (17,00 minutes). Mesurer le temps à la seconde ou fraction de seconde près. Au bout de 1020 secondes (ou plus), éteignez le bloc d'alimentation et enregistrez la dernière valeur d'ampérage et l'heure.

Maintenant, vous récupérez l’anode de la cellule, la séchez comme avant en la plongeant dans de l’alcool et en la laissant sécher sur une serviette en papier, puis pesez-la. Si vous nettoyez l'anode, vous retirerez le cuivre de la surface et invaliderez votre travail!

Si vous le pouvez, répétez l'expérience en utilisant les mêmes électrodes.

Échantillon de calcul

Les mesures suivantes ont été faites:

Anode masse perdue: 0,3554 grammes (g)
Courant (moyen): 0,601 ampère (ampère)
Temps d'électrolyse: 1802 secondes

Rappelles toi:
Un ampère = 1 coulomb / seconde ou un ampère = 1 coulomb
La charge d'un électron est de 1,602 x 10-19 coulomb

  1. Trouvez la charge totale passée dans le circuit.
    (0.601 amp) (1 coul / 1 amp) (1802 s) = 1083 coul
  2. Calculez le nombre d'électrons dans l'électrolyse.
    (1083 coul) (1 électron / 1,6022 x 1019 coul) = 6,759 x 1021 électrons
  3. Déterminez le nombre d'atomes de cuivre perdus de l'anode.
    Le processus d'électrolyse consomme deux électrons par ion de cuivre formé. Ainsi, le nombre d'ions de cuivre (II) formés correspond à la moitié du nombre d'électrons.
    Nombre d'ions Cu2 + = ½ nombre d'électrons mesurés
    Nombre d'ions Cu2 + = (6,752 x 1021 électrons) (1 Cu2 + / 2 électrons)
    Nombre d'ions Cu2 + = 3,380 x 1021 ions Cu2 +
  4. Calculez le nombre d'ions de cuivre par gramme de cuivre à partir du nombre d'ions de cuivre ci-dessus et de la masse d'ions de cuivre produits.
    La masse des ions de cuivre produits est égale à la perte de masse de l'anode. (La masse des électrons est si petite qu'elle est négligeable, de sorte que la masse des ions cuivre (II) est la même que la masse des atomes de cuivre.)
    perte de masse d'électrode = masse d'ions Cu2 + = 0,3554 g
    3,380 x 1021 ions Cu2 + / 0,3544g = 9,510 x 1021 ions Cu2 + / g = 9,510 x 1021 atomes de Cu / g
  5. Calculez le nombre d'atomes de cuivre dans une mole de cuivre, 63,546 grammes.Atomes de Cu / mole de Cu = (9,510 x 1021 atomes de cuivre / g de cuivre) (63,546 g / mole de cuivre) Atomes de Cu / mole de Cu = 6,040 x 1023 atomes de cuivre / mole de cuivre
    Ceci est la valeur mesurée par l'élève du nombre d'Avogadro!
  6. Calculer le pourcentage d'erreur.Erreur absolue: | 6,02 x 1023 - 6,04 x 1023 | = 2 x 1021
    Pourcentage d'erreur: (2 x 10 21 / 6,02 x 10 23) (100) = 0,3%