CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN SCIENZE BIOLOGICHE LABORATORIO DI FISICA - A.A

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1 CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN SCIENZE BIOLOGICHE LABORATORIO DI FISICA - A.A Turno: Nome Studenti Gruppo: Data SCHEMA RIASSUNTIO DELL'ESPERIENZA DI ELETTROLISI. Preparare la soluzione elettrolitica Preparare la soluzione nel matraccio da 50 ml utilizzando come soluto g di SO (H O) 5 e come solvente acqua demineralizzata. Mescolare accuratamente. Quantità di SO (H O) 5 pesata: +/- mg Concentrazione di in soluzione (C teo ): +/- g /l Attenzione: - Per il calcolo nella concentrazione ricordarsi di considerare i pesi atomici/molecolari: M SO(HO)5 : 9.68 g/mol - M : 6.55 g/mol - L errore sulla singola pesata è dato dalla precisione della bilancia (pari a 0. mg) - L errore sulla concentrazione si ricava con la formula per la propagazione per prodotti e rapporti. L errore sul volume è dato dalla precisione del matraccio usato (indicata sul matraccio stesso).. Costruire la elettrolitica ed il relativo circuito.) Preparare una spira di rame e pesarla. Attenzione: prestare molto attenzione quando si pesa la spira; per essere sicuri di avere urato un valore corretto fare la pesata su diverse bilance. I due pesi devono essere uguali (possono differire al più di pochi decimi di milligrammo). Se si trovano discordanze tra le due ure ripetere l operazione facendo più attenzione..) Prelevare 50 ml della soluzione precedentemente preparata e porli all interno di un beaker Tale volume va determinato CON ATTENZIONE mediante 5 pipettate da 0 ml.) Collegare nel modo corretto tutti gli elementi del circuito. Fare in particolar modo attenzione: - ad aver connesso la spira di rame (che costituisce il catodo) al polo negativo e il filamento centrale di platino al polo positivo - che nessun elemento metallico formi un cortocircuito (in particolare la spira di rame e il filamento centrale non devono toccarsi), in modo da essere certi che la corrente passi solo attraverso la soluzione elettrolitica. Effettuare la prima elettrolisi Accendere l alimentatore e nel contempo far partire il cronometro. Durante l intera durata dell elettrolisi verificare che la corrente resti costante. In caso contrario agire sul potenziometro dell alimentatore per riportare la corrente al valore desiderato. Al termine dell elettrolisi spegnere l alimentatore ed estrarre la spira facendo attenzione a maneggiarla con cura per evitare la perdita di parte del che si è ositato. Porre la spira all interno della stufa lasciandola asciugare all interno per circa minuti, dopo di che pesarla nuovamente.

2 Non buttare la soluzione che ha subito l elettrolisi ma coprire il beaker con del parafilm e tenerlo da parte. Determinazione della costante di Faraday con il metodo della pesata e del suo errore La costante di Faraday si ricava mediante la relazione: F M Q z m M i t z m - M = peso atomico del (pari a 6.55 g/mol) - z = valenza del (pari a ). dove: - Q = carica che è circolata nel circuito. Se la corrente durante l elettrolisi è rimasta pressoché costante la carica si ricava come prodotto tra l intensità di corrente e il tempo di durata dell elettrolisi: Q i t - m = massa di rame che si è ositata sul catodo. Tale massa si ricava come differenza tra il peso della spira dopo e prima dell elettrolisi: m P P. L errore sulla costate di Faraday F si ricava con la formula per la propagazione dei prodotti e rapporti. Le variabili affette da errore sono: - m, il cui errore si trova usando la formula della propagazione degli errori somme e differenze - t, il cui errore dipende dallo strumento utilizzato per la ura della durata dell elettrolisi (considerando un comune cronometro, l errore tipico è di qualche secondo) - i, il cui errore è dato dalla precisione dell amperometro, ed è pari all % del valore urato (se si leggeva quindi una corrente di ma, l errore associato è pari a 0. ma) TABELLA RIASSUNTIA DELLA PRIMA ELETTROLISI (metodo pesata) Peso spira prima dell elettrolisi (mg) Peso spira dopo l elettrolisi (mg) Massa di ositata (mg) Corrente i (ma) Durata elettrolisi (s) Costante di Faraday ± ± 5. Determinazione della costante di Faraday con il metodo della variazione di concentrazione e del suo errore Una metodologia alternativa ed indiretta per la determinazione della massa di rame ositata sul catodo consiste nella ura della variazione di concentrazione di nella soluzione che ha subito l elettrolisi. Se infatti parte del presente in soluzione va a ositarsi sul catodo, la concentrazione di in soluzione dopo l elettrolisi risulterà minore della concentrazione iniziale. Quindi conoscendo la variazione di concentrazione ed il volume di soluzione utilizzato per l elettrolisi è possibile ricavare la massa di rame che non è più presente in soluzione al termine dell elettrolisi.

3 I valori di concentrazione della soluzione si ottengono per mezzo di ure di assorbanza, effettuate mediante l utilizzo di uno spettrofotometro. Esiste infatti una relazione di proporzionalità diretta tra la concentrazione C di una soluzione e la sua assorbanza A: C A (relazione di Lambert-Beer) Il coefficiente di proporzionalità è stato determinato sperimentalmente dagli studenti degli anni scorsi ed è assunto pari a:. 0.0 g / l L utilizzo dello spettrofotometro richiede alcune ure preliminari atte a ricercare le migliori condizioni sperimentali di impiego dello strumento (punto 5.) e la sua precisione intrinseca (punto 5.) Di seguito vengono illustrati i passi necessari a tali determinazioni. 5. Spettro di assorbimento: ricerca max Preparare una nuova soluzione in un altro matraccio da 50 ml utilizzando come soluto g di SO (H O) 5 e come solvente ammoniaca Quantità di SO (H O) 5 pesata: +/- mg Concentrazione di in soluzione: +/- g /l Fare una serie di ure di assorbanza (max. 0) partendo dal valore di 550 nm e variando la lunghezza d'onda della luce utilizzata alla ricerca del valore per cui si ha assorbanza massima. Ricordarsi di effettuare la sottrazione del bianco per ognuna delle lunghezze d'onda utilizzate. Misura (nm) A max = (nm) D ora in avanti tutte le ure di assorbanza verranno effettuate impostando allo spettrofotometro il valore di max 5. Determinazione della precisione dello spettrofotometro Preparare 0 cuvette e riportare nella seguente tabella l'assorbanza urata per ognuna di esse in corrispondenza di max. Calcolare poi il valor medio Ā, la deviazione standard S A e la deviazione standard della media S Ā Ā: S A : S Ā :

4 Ora si hanno tutti gli elementi necessari per determinare la costante di Faraday relativa alla prima elettrolisi già effettuata, mediante la ura della variazione di concentrazione, e per stimarne l errore. erificare la concentrazione della soluzione preparata al punto nel seguente modo: Prelevare dal matraccio 0 ml della soluzione, versarli in un beaker e diluirli con 0 ml di ammoniaca. Mescolare bene e riempire due cuvette, urarle allo spettrofotometro sempre in corrispondenza della max (ricordarsi sempre di usare anche una cuvetta riempita di ammoniaca per la sottrazione del bianco). La concentrazione della soluzione si trova con la seguente formula: C = A = +/- g /l dove A è il valore medio di assorbanza urato, il volume di soluzione usato per la ura di assorbanza (cioè 0 ml) e il volume di ammoniaca aggiunto (cioè 0 ml). L errore su C si ricava utilizzando la formula generale di propagazione degli errori (N.B. il calcolo delle derivate parziali lo si può trovare in appendice ) Controllare che C teo (del punto ) e C non siano troppo diversi mediante il calcolo della compatibilità: C.L = La concentrazione della soluzione DOPO l'elettrolisi (C ) si ottiene in modo analogo a quanto appena descritto: mescolare bene la soluzione che ha subito l elettrolisi, prelevarne 0 ml, versarli in un beaker e diluirli con 0 ml di ammoniaca. Mescolare bene e riempire due cuvette, urarle allo spettrofotometro sempre in corrispondenza della max (ricordarsi sempre di usare anche una cuvetta riempita di ammoniaca per la sottrazione del bianco). La massa di rame non più in soluzione (e quindi ositata sulla spira) si ricava mediante la formula: m = (C - C ) = A A con: = volume di soluzione usato per l'elettrolisi (50 ml), = volume di soluzione usato per la ura di assorbanza prima dell'elettrolisi (0 ml) = volume di ammoniaca aggiunto a per la ura di assorbanza (0 ml), A = ura di assorbanza prima dell elettrolisi = volume di soluzione usato per la ura di assorbanza dopo l'elettrolisi (0 ml), = volume di ammoniaca aggiunto a per la ura di assorbanza (0 ml). A = ura di assorbanza dopo l elettrolisi In questo caso l errore su m si calcola usando la formula generale della propagazione degli errori. I risultati delle derivate parziali rispetto alle variabili di interesse sono riportate in appendice. TABELLA RIASSUNTIA DELLA PRIMA ELETTROLISI (metodo concentrazione) Assorbanza media prima dell elettrolisi (A ) Assorbanza media dopo dell elettrolisi (A ) Massa di ositata (mg) Corrente i (ma) Durata elettrolisi (s) Costante di Faraday ± ±

5 6. Effettuare le altre elettrolisi Effettuare altre tre o quattro elettrolisi seguendo le modalità descritte ai punti e, usando sempre la soluzione senza ammoniaca del punto. Ora, per ogni elettrolisi, è possibile determinare in parallelo la massa ositata sulla spira sia con il metodo della pesata che con il metodo della variazione di concentrazione. Riassumere tutti i dati ottenuti nella seguente tabella: TABELLA RIASSUNTIA DELLE ARIE ELETTROLISI (entrambi i metodi) Corrente i (ma) Durata elettrolisi (s) Peso spira prima dell elettrolisi (mg) Peso spira dopo l elettrolisi (mg) Massa di ositata (mg) metodo pesata F metodo della pesata olume di soluzione usato per l'elettrolisi ( ) olume soluzione per ure assorbanza prima dell elettrolisi ( ) olume ammoniaca aggiunto per ure assorbanza prima dell elettrolisi ( ) Assorbanza media prima dell elettrolisi (A ) olume soluzione per ure assorbanza dopo l elettrolisi ( ) olume ammoniaca aggiunto per ure assorbanza dopo l elettrolisi ( ) Assorbanza media dopo l elettrolisi (A ) Massa di ositata (mg) metodo concentr. F metodo della concentrazione Elettrolisi Elettrolisi Elettrolisi Elettrolisi Per ognuno dei metodi utilizzati, calcolare il valor medio di F trovato nelle o elettrolisi effettuate, con il suo errore C/mol) : S S F e discuterne la compatibilità col valore atteso (9685 F N Metodo della pesata: F media = +/- C/mol C.L.= Metodo della concentrazione : F media = +/- C/mol C.L.= 5

6 Infine confrontare la deviazione standard di F (S F ) ottenuta sopra con l errore stimato con la propagazione degli errori. Commentare la concordanza o non concordanza delle stime. Concordanza: si o no e valori Commento: Appendice ) Si è visto come sia possibile determinare la concentrazione della soluzione per elettrolisi andando a urare l assorbanza di un aliquota di quella soluzione, opportunamente diluita con ammoniaca: C = A Questa formula è una espressione non riconducibile a una semplice somma o a una semplice combinazione prodotto/rapporto, quindi per calcolare l errore su C è necessario applicare la formula generale di propagazione degli errori: C C A (A) dove: C C A A l errore su alfa medio ( C A C ) è pari a : ± 0.0 g/l C l errore su A è dato dalla precisione dello spettrofotometro determinata al punto 5. C A L errore su ( ) è quello associato alla singola pipettata da 0 ml. Esso tiene conto sia dell incertezza intrinseca dello strumento (accuratezza nella fabbricazione), sia dell incertezza dello sperimentatore. Nel complesso l errore su una pipettata da 0 ml è stimabile in ±0. ml. C A L errore su ( ) è quello associato a due pipettate da 0 ml. Esso risulta quindi pari a: Per calcolare l errore su C è quindi sufficiente inserire, nella formula (A), i valori delle derivate e degli errori calcolati usando le formule sopra elencate ) Utilizzando il metodo della variazione di concentrazione, la massa ositata si ricava usando la formula: m = (C - C ) = A A Anche in questo caso l errore su m si calcola usando la formula generale della propagazione degli errori. La seguente tabella (che riporta che i risultati delle derivate parziali rispetto alle variabili di interesse) facilita il calcolo dell errore su m. 6

7 Singoli termini della formula Elettrolisi Elettrolisi Elettrolisi Elettrolisi m α m α m A m A A m A m A m A A m A m m m m j m x j j x Le modalità di calcolo dei vari errori Appendice. i sulle singole variabili sono già state introdotte in 7