Йодний кулонометр

Йодний кулонометр являє собою скляний електролізер з відокрем­леними катодним і анодним просторами (рис.4) з платиновими (чи плати­но­-іриді­євими) електродами, анолітом є 1 М розчин KJ з добавкою HCl, като­лі­том - розбавлений ( 0,1 М) розчин HCl. Максимальна густина струму на аноді складає 1 А/дм². Після закінчення електролізу аноліт зливають в мірну колбу і йод, який виділився, титрують тіосульфатом в присутності 0,2% розчину крохмалю:

J₂ + 2Na₂S₂O₃ = 2 NaJ + Na₂S₄O₆.

Кількість еквівалентів речовини (n), яка прореагувала на анодах в срібному чи йодному кулонометрах, розраховують за результатами титру­ван­ня:

n = (V_т ^. c_т ^. V)/(V_пр ^. 10³) (9)

Рис.3 Титраційний срібний Рис.4 Титраційний йодний

кулонометр кулонометр

Об`ємний газовий кулонометр

Найбільш поширеним об`ємним кулонометром є воднево-кисневий газовий кулонометр, який являє собою скляний електролізер циліндрич­ної форми, щільно закритий кришкою, в яку вставлена газовідвідна трубка (рис.5). Електроди виготовлені з нікелю чи платини, електролітом служить 15...20% розчин NaOH. Необхідно слідкувати за тим, щоб електроди були повністю покриті електролітом, а тому в міру того, як буде витрачатись вода, в електролізер доливають дистильовану воду.

Рис.5 Газовий кулонометр з евдіометром

При проходженні електричного струму через кулонометр на катоді перебігає реакція виділення водню: 2H₂O + 2е = H₂ + 2OH^-, а на аноді - реакція виділення кисню: 2OH^- = H₂O + 0,5 O₂ + 2e. Сумарна реакція в електролізері: H₂O = H₂ + 0,5 O₂, або 2H₂O = 2H₂ + O₂. Суміш газів складається з одного об`єму кисню та двох об`ємів водню, і називається гримучою сумішшю. Під час електролізу її збирають в евдіометрі (рис.5). Після закінчення електролізу визначають об`єм гримучої суміші в евдіометрі (V, см<sup>3</sup>), температуру повітря (t, <sup>o</sup>C), атмосферний тиск (p, мм рт.ст) і висоту стовпчика води в евдіометрі (h, см). Привівши об`єм зібраної газової суміші до нормальних умов визначають кількість еквівалентів водню чи кисню (n):

(10)

де - тиск насиченого пара води при температурі t^oC;

R = 0,082 л ^. атм ^. моль ^. град^-1; густина ртуті 13,6 г ^. см^-3.

Кількість електрики, що пройшла через кулонометр, розраховують за формулою q = n ^. F.

Точність газового кулонометра складає  0,5 %.

Прилади і засоби виміру, що використовуються при виконанні лабораторної роботи

1. Кулонометри: ваговий мідний, титраційний йодний та об`ємний газовий.

2. Регульоване джерело постійного струму.

3. Амперметр ( 2 А).

4. Вольтметр.

5. Електролізер для осадження цинку з цинковими анодами та сталь­­ним катодом.

6. Електролізер для одержання PbO₂ з мідними катодами та нікеле­вим анодом.

Хід виконання роботи

Для виконання завдань (1 - 3) збирають електричну схему з послідовно з`єднаних джерела постійного струму, амперметра, трьох кулонометрів (завдання 1), мідного кулонометра і одного чи двох електролізерів для осаджен­ня цинку (завдання 2), мідного кулонометра і електролізера для одержання PbO₂. Якщо необхідно заміряти напругу на електролізері, то паралельно досліджуваному електролізеру включають вольтметр.

Зібраний заздалегідь газовий кулонометр одержують у лаборантів. Підготовку поверхні електродів інших кулонометрів, електролізерів для осадження цинку і одержання PbO₂ проводять таким чином. Платинові та срібні електроди знежирюють віденським вапном і старанно промивають спочатку водопровідною, а потім дистильованою водою. Поверхню мідних, стальних та нікелевих електродів зачищають наждаковим папе­ром, знежирюють віденським вапном, старанно промивають водою, трав­лять в відповідних розчинах, наведених в таблиці 1.

Таблиця 1.

Метал електроду	Розчин для травлення	Час травлення
Мідь	HNO3 (1:2)	1-2 хв.
Сталь кп 08	HNO3 (1:1)	0,5-1 хв.
Нікель	HCl – 200г/л	4-5 хв.

Після травлення електроди промивають, висушують та досліджувані електроди зважують на аналітичних терезах з точністю до 0,0001 г.

Завдання 1. Порівняння кулонометрів

Визначити кількість електрики, що перебігає в електричному колі за допомогою вагового мідного, титраційного йодного та об`ємного газового кулонометрів.

Умови дослідів: Силу струму в електричному колі розраховують за катодною густиною струму, яка має бути в мідному кулонометрі (0,02... 2 А/дм²). Густину струму та час електролізу вказує викладач. Час електролізу має бути таким, щоб виділилось в газовому кулонометрі 45...90 см³ гримучої суміші.

Після підготовки електродів (не забудьте зважити катод мідного кулонометра) та кулонометрів до роботи, збирають електричну схему, як вказано вище, розраховують силу струму та включають джерело струму. Після електролізу, визначивши масу міді, яка виділилась на катоді мідного кулонометра, кількість еквівалентів срібла, яке розчинилось на аноді титраційного кулонометра та кількість еквівалентів водню (чи кисню), які виділились в газовому кулонометрі, визначають кількість електрики. Розраховують також кількість електрики за формулою q = I ^. . Приймають за еталон кількість електрики, яку визначено йодним кулонометром або за формулою q = I ^. , розраховують процент похибки визначення кількості електрики іншими кулонометрами.

Результати дослідів заносять до таблиці 2.

Таблиця 2.

Тип кулон	ik(Cu), А/дм2	ia(Ag) А/дм2,	Vг, см3	I, А	, с	qCu, A.с	qAg, A.с	qгаз A.с	q=I. A.с	% похибки титр ! I.
Кв		-	-				-	-
Кт	-		-			-		-
Кг	-	-				-	-

Завдання 2. Вивчити вплив складу електроліту та катодної густи­ни струму на вихід за струмом цинку

Умови дослідів: Досліджувані електроліти для осадження цинку:

1. ZnSO₄^.7H₂O - 200 г/л + Al₂(SO₄)₃ ^. 18H₂O - 20 г/л + Na₂SO₄ ^. 10H₂O - 70 г/л + декстрин - 8 г/л;

2. ZnSO₄^.7H₂O - 200 г/л + H₂SO₄ - (25...50) г/л.

Осадження цинку проводять при кімнатній температурі при трьох-чотирьох значеннях катодної густини струму, яку завдає викладач, вибираючи з інтервалу 1...6 А/дм². Товщину цинкового осаду завдає викладач (7...15 мкм). Цинк осаджують на стальні зразки.

Для виконання завдання готують поверхню стальних катодів та катода мідного кулонометра, зважують їх на аналітичних терезах, заливають в мідний кулонометр та електролізери для осадження цинку відповідні розчини, збирають електричну схему з джерела постійного струму, амперметра, мідного кулонометра та двох електролізерів для осадження цинку з різними електролітами (1 і 2). За завданою викладачем густиною струму для осадження цинку розраховують силу струму та при цьому перевіряють, яка буде реалізовуватись густина струму в кулонометрі, вона повинна лежати в інтервалі 0,2...2 А/дм². Після електролізу зважують всі катоди, описують якість одержаних осадів та враховуючи формули (1 і 5) розраховують вихід за струмом цинку:

ВС_Zn = q_Zn/q_заг= (m_Zn ^. к_Cu ^. 100%)/(m_Cu ^. к_Zn).

Будують графіки залежності ВС_Zn від густини струму та роблять висновки про вплив побічного процесу виділення водню на вихід за струмом цинку та якість цинкових покриттів в залежності від густини струму та складу електроліту.

Завдання 3. Визначити вихід за струмом диоксиду свинцю

Умови досліду: Електроліт має склад в (г/л):

нітрат свинцю - 300;

нітрат міді - 70;

нітрат амонію - 40

n- толуолсульфамід - 1,5.

Одержання диоксиду свинцю проводять при анодній густині струму 4 А/дм². Анод виготовлений з нікелю, а катодами служать мідні пластинки. Час електролізу 45-90 хвилин.

Диоксид свинцю (PbO₂) одержують анодним окисленням Pb²⁺ в нітратних електролітах. На катоді при цьому перебігають дві реакції: виділення водню та осадження свинцю. Щоб концентрація свинцю не зменшувалась в розчині за рахунок катодної реакції, в електроліт вводять нітрат міді, тоді на катоді перебігатиме тільки реакція осадження міді.

Для виконання роботи проводять підготовку поверхні всіх елек­тро­дів електролізера для одержання свинцю і мідного кулонометра, робочі електроди зважують, в електролізер і кулонометр заливають відповідні електроліти, збирають електричну схему, яка складається з електролізера для одержання диоксиду свинцю, кулонометра, амперметра та регульо­ваного джерела постійного струму. Робочі електроди вставляють в відпо­відні електролізери безпосередньо перед вмиканням джерела стру­му. Час електролізу вказує викладач. Під час електролізу заміряють напругу на електролізері для одержання свинцю.

Після закінчення електролізу виймають катод мідного кулонометра та анод електролізеру для отримання диоксиду, промивають їх водою, висушують фільтрувальним папером чи в сушильній шафі при темпе­ратурі не вище 60°С, зважують на аналітичних терезах. За кількістю одержаного диоксиду свинцю та міді в кулонометрі розраховують вихід свинцю за струмом, використовуючи формулу (5). Дані експерименту заносять до таблиці.

Таблиця3.

Час елек­тролізу, хв	Сила струму, А	Напруга, В	Приріст маси міді в кулон., г	Приріст маси ано­ду елект­ролізера, г­­	Вихід за струмом диоксиду свинцю, %	Питомі витрати електроенергії, Вт.год/г