Μίνι ηλεκτρολυτική κυψέλη: 5 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Εργάζομαι σε αυτό το έργο για το μάθημα Instrumental Chemistry. Ο στόχος μου ήταν να μετρήσω την τάση που ανιχνεύεται από μια κάθοδο σε αλμυρό νερό. Πραγματοποίησα μια τυπική προσθήκη περίπου 6,6 Μ αλμυρού νερού, με ενέσεις 1 mL χρησιμοποιώντας φαρμακευτική σύριγγα.

Προμήθειες

• Βαθμονομημένος κύλινδρος, ογκομετρική πιπέτα, μικροπιπέτα κλπ. Για μέτρηση όγκου. Χρησιμοποίησα ιατρική σύριγγα με ένδειξη 0,2 mL.
• Μικροεπεξεργαστής, δηλαδή συσκευή Arduino
• ποικιλία συρμάτων αρσενικό σε αρσενικό και θηλυκό σε αρσενικό
• δύο κλιπ αλιγάτορα
• σανίδα ψωμιού
• Αντίσταση 10 kohm ή παρόμοια για διαχωριστή τάσης
• Σκάφος για ηλεκτρόλυση. Χρησιμοποίησα ένα παλιό βάζο μπαχαρικών και αυτό λειτούργησε αρκετά καλά
• Δύο συνδετήρες για την κατασκευή των ηλεκτροδίων καθόδου και ανόδου. Έκοψα επίσης ένα καλαμάκι σε τμήματα μόνο για να συγκρατήσω τα ηλεκτρόδιά μου με μεγαλύτερη ασφάλεια στη θέση τους και να μην τα αγγίζουν το ένα το άλλο ή το γυαλί.
• Επιτραπέζιο αλάτι (NaCl)
• Νερό βρύσης

Βήμα 1: Προετοιμάστε το διάλυμα αλατιού σας

Χρησιμοποίησα κουταλιές της σούπας για να μετρήσω ποσότητες αλατιού και ένα φλιτζάνι μέτρησης με 50 ml ένδειξη για να μετρήσω το νερό όταν φτιάχνω το διάλυμα αλατιού μου. Χρησιμοποίησα ιωδιούχο αλάτι από τη μάρκα Clover Valley. Μέτρησα 3 κουταλιές της σούπας αλάτι, πρόσθεσα το αλάτι σε ένα φλιτζάνι μέτρησης και γέμισα το δοχείο μέτρησης στα 250 mL με νερό βρύσης. 1 κουταλιά της σούπας ΗΠΑ είναι περίπου 14.7868 mL, άρα 3 κουταλιές της σούπας είναι περίπου 44.3604 mL. Η πυκνότητα του χλωριούχου νατρίου είναι 2,16 g/cm^3. Πολλαπλασίασα τον όγκο και την πυκνότητα για να προσδιορίσω τη μάζα του NaCl, η οποία ήταν 95,82 g. Η γραμμομοριακή μάζα του NaCl είναι 58,44 g/mol, άρα τα moles του NaCl ήταν 1,64 mol. 1,64 moles διαιρούμενο με τον συνολικό όγκο 250 mL ή 0,250 L οδήγησαν σε διάλυμα NaCl 6,56 Μ. Με αυτόν τον τρόπο θα έβρισκα τη συγκέντρωση του δείγματος αλατιού σας εάν δεν έχετε στη διάθεσή σας κάποιο φανταχτερό εξοπλισμό.

Βήμα 2: Ρύθμιση του Ηλεκτροχημικού στοιχείου

• Όπως είπα προηγουμένως, χρησιμοποίησα ένα βάζο μπαχαρικών με αρκετά φαρδιές τρύπες στο επάνω μέρος για να εγχύσω αλμυρό νερό με μια φαρμακευτική σύριγγα. Οποιοσδήποτε τύπος δοχείου πρέπει να λειτουργεί, αλλά είναι καλύτερο να μπορείτε να αιωρείτε τα ηλεκτρόδια και το διάλυμα σας και να μπορείτε να τα τοποθετείτε εκεί που δεν αγγίζουν το ένα το άλλο ή τα τοιχώματα του δοχείου.
• Άνοιξα και ίσιωσα δύο συνδετήρες για να φτιάξω την κάθοδο και την άνοδο. Τα γυάλισα επίσης με γυαλόχαρτο για να βεβαιωθώ ότι δεν υπήρχε επίστρωση που θα λειτουργούσε ως μονωτικό. Έφτιαξα μικρούς σωλήνες κόβοντας ένα καλαμάκι στα όγδοα. Χρησιμοποίησα τους αχυρένιους σωλήνες στις τρύπες των βάζων μπαχαρικών όπου τοποθετήθηκαν η κάθοδος και η άνοδος για να διασφαλίσω ότι έμειναν στη θέση τους όταν στερέωσα τα κλιπ αλιγάτορα. Ας ελπίσουμε ότι η εικόνα θα βοηθήσει στην οπτικοποίηση αυτού.
• Είναι καλύτερο η κάθοδος και η άνοδος να βρίσκονται σε παρόμοιο επίπεδο βάθους στη λύση.
• Προσθέστε νερό στο δοχείο μπαχαρικών όπου τα ηλεκτρόδια είναι μερικώς βυθισμένα στο νερό, τουλάχιστον ένα εκατοστό στο νερό θα έλεγα. Θέλετε να αφήσετε λίγο χώρο στο δοχείο για όταν εγχύσετε διάλυμα αλατιού σε αυτό.

Βήμα 3: Ρυθμίστε το κύκλωμά σας

• Χρησιμοποίησα έναν μικροεπεξεργαστή Adafruit Metro, αλλά οι περισσότεροι μικροεπεξεργαστές στην αγορά είναι παρόμοιοι ως προς τις διαφορετικές επιλογές καρφιτσών.

• Ρύθμιση του κυκλώματος ως εξής:

  • Συνδέστε ένα καλώδιο στο 5 V. Συνδέστε τη μία πλευρά ενός συνδετήρα αλιγάτορα στο άλλο άκρο. Συνδέστε την άλλη πλευρά του συνδετήρα αλιγάτορα σε ένα από τα ηλεκτρόδιά σας. Αυτή θα είναι η άνοδος σας.
  • Συνδέστε ένα καλώδιο στο A0 και συνδέστε το άλλο άκρο στην πλακέτα σας. Προσθέστε ένα άλλο καλώδιο στη γραμμή με το καλώδιο συνδεδεμένο στο A0 και την πλακέτα σας.
  • Συνδέστε μια αντίσταση 10 kOhm σε αυτό το καλώδιο στην πλακέτα σας. Στο άλλο άκρο της αντίστασης, χρησιμοποιήστε ένα καλώδιο για να συνδέσετε το σύστημα στη γείωση.
  • Συνδέστε ένα άλλο καλώδιο στη γείωση στον μικροεπεξεργαστή σας και δίπλα στο άλλο καλώδιο που είναι συνδεδεμένο στη γείωση στο breadboard σας.
  • Δείτε φωτογραφίες για ρύθμιση

Βήμα 4: Μεταγλώττιση/επαλήθευση και μεταφόρτωση κώδικα

Χρησιμοποίησα τον ακόλουθο κώδικα που είναι αποθηκευμένος στην εφαρμογή Arduino στην ενότητα Examples Basics ReadAnalogVoltage. Ελπίζω να λειτούργησε αυτό. Τα δεδομένα δεν ήταν όπως τα περίμενα, αφού η τάση μειώθηκε καθώς προστέθηκε περισσότερο αλατόνερο. Σκέφτηκα λίγο περισσότερο τον σκοπό του κώδικα και αποφάσισα να κάνω μια διορθωμένη τάση αφαιρώντας την έξοδο από το αρχικό 5 V που προστέθηκε στο σύστημα. Έκανα στη συνέχεια μια καμπύλη βαθμονόμησης χρησιμοποιώντας τη συγκέντρωση (υπολογίστηκε- θα μιλήσω για το επόμενο βήμα) και τη διορθωμένη τάση, η οποία δείχνει τώρα ότι η τάση αυξάνεται με την προσθήκη αλατιού. Αν κάποιος έχει κάποια συμβουλή σχετικά με το πού έχω κάνει λάθος, παρακαλώ ενημερώστε με.

Είναι ενδιαφέρον ότι κάθε φορά που αφαιρούσα είτε την κάθοδο είτε την άνοδο από τη λύση, η σειριακή οθόνη διάβαζε έξοδο 5,00 V.

Βήμα 5: Ανάλυση δεδομένων

• Η συγκέντρωση αλατιού που προστίθεται για κάθε ένεση διαπιστώνεται πολλαπλασιάζοντας τη μοριακότητα του διαλύματος άλατος με τον όγκο της ένεσης (δηλ. 1 mL = 0,001 L) και στη συνέχεια διαιρώντας με τον συνολικό όγκο (ας υποθέσουμε ότι ξεκινάτε με 250 mL = 0,250 L, ο συνολικός όγκος για την πρώτη ένεση είναι 0,251 L). Στη συνέχεια θα υπολογίζατε τη συγκέντρωση διαιρώντας (0,001L*τη μοριακότητα)/(συνολικός όγκος ή 0,251 L)
• Υπολογίστε τη συγκέντρωση του διαλύματος δείγματος μετά από κάθε προσθήκη διαλύματος άλατος.
• Διόρθωσα την τάση αφαιρώντας την τάση εξόδου από τα αρχικά 5,00 V. Αυτό μου έδωσε τη θετική καμπύλη βαθμονόμησης συγκέντρωσης έναντι τάσης που περίμενα, αφού η προσθήκη ηλεκτρολύτη στο διάλυμα θα μειώσει την αντίσταση του διαλύματος και θα επιτρέψει στο ρεύμα να ρέει πιο αποτελεσματικα.
• Σημείωση: για τα γραφήματα μου το γραμμικό εύρος είναι φρικτό. Θα συνιστούσα ιδιαίτερα να φτιάξετε ένα διάλυμα NaCl με πολύ μικρότερη συγκέντρωση ή να χρησιμοποιήσετε μικρότερους όγκους ένεσης. Μεγάλωσα τον εντοπισμό από νωρίς στο πείραμα.
• Άλλα ιοντικά άλατα θα μπορούσαν να διαλυθούν σε νερό και να χρησιμοποιηθούν με την ίδια διαδικασία. Θα είχα κάνει δοκιμές με αλάτι epsom αν είχα.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Ch…

chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Ch…

Αυτές οι σελίδες με βοήθησαν να καταλάβω πώς να περιμένω να αλλάξει η τάση όταν προστέθηκε ηλεκτρική ενέργεια στο διάλυμα αλατιού σε αυξανόμενες συγκεντρώσεις.