Mini cella elettrolitica: 5 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Ho lavorato a questo progetto per il mio corso di Chimica Strumentale. Il mio obiettivo era misurare la tensione rilevata da un catodo in acqua salata. Ho eseguito un'aggiunta standard di circa 6,6 M di acqua salata, con iniezioni di 1 ml utilizzando una siringa medicinale.

Forniture

• Cilindro graduato, pipetta volumetrica, micropipetta, ecc. per misurare il volume. Ho usato una siringa medica con segni da 0,2 ml.
• Microprocessore, ad esempio dispositivo Arduino
• assortimento di fili maschio-maschio e femmina-maschio
• due clip a coccodrillo
• tagliere
• Resistenza da 10 kohm o simile per partitore di tensione
• Vaso per elettrolisi. Ho usato un vecchio barattolo di spezie e ha funzionato abbastanza bene
• Due graffette per realizzare gli elettrodi del catodo e dell'anodo. Ho anche tagliato una cannuccia in sezioni solo per tenere gli elettrodi più saldamente in posizione e impedire che si tocchino l'un l'altro o il vetro.
• Sale da cucina (NaCl)
• Acqua di rubinetto

Passaggio 1: prepara la soluzione salina

Ho usato dei cucchiai per misurare la quantità di sale e un misurino con tacche da 50 ml per misurare l'acqua durante la preparazione della mia soluzione salina. Ho usato sale iodato della marca Clover Valley. Ho misurato 3 cucchiai di sale, ho aggiunto il sale a un misurino e ho riempito il misurino con 250 ml di acqua di rubinetto. 1 cucchiaio da tavola americano corrisponde a circa 14,7868 ml, quindi 3 cucchiai corrispondono a circa 44,3604 ml. La densità del cloruro di sodio è 2,16 g/cm^3. Ho moltiplicato il volume e la densità per determinare la massa di NaCl, che era 95,82 g. La massa molare di NaCl è 58,44 g/mol, quindi le moli di NaCl erano 1,64 mol. 1,64 moli divise per il volume totale di 250 mL o 0,250 L hanno dato come risultato una soluzione di NaCl 6,56 M. Ecco come farei per trovare la concentrazione del tuo campione di sale se non avessi a disposizione attrezzature di fantasia.

Passaggio 2: impostare la cella elettrochimica

• Come ho detto in precedenza, ho usato un barattolo di spezie con fori abbastanza larghi nella parte superiore da permettermi di iniettare acqua salata con una siringa medicinale. Qualsiasi tipo di recipiente dovrebbe funzionare, ma è meglio essere in grado di sospendere gli elettrodi e la soluzione ed essere in grado di posizionarli dove non si toccano tra loro o le pareti del contenitore.
• Ho aperto e raddrizzato due graffette per creare il mio catodo e l'anodo. Li ho anche lucidati con carta vetrata per assicurarmi che non vi fosse alcun rivestimento che fungesse da isolante. Ho realizzato dei tubicini tagliando una cannuccia in ottavi. Ho usato i tubi di paglia nei fori del barattolo di spezie dove sono stati posizionati il catodo e l'anodo per assicurarmi che rimanessero in posizione quando ho attaccato le clip a coccodrillo. Speriamo che l'immagine aiuti la visualizzazione di questo.
• È meglio che il catodo e l'anodo si trovino a un livello di profondità simile nella soluzione.
• Aggiungi acqua al barattolo delle spezie dove gli elettrodi sono parzialmente immersi nell'acqua, direi almeno un cm nell'acqua. Vuoi lasciare un po' di spazio nella nave per quando inietti una soluzione salina.

Passaggio 3: configura i tuoi circuiti

• Ho usato un microprocessore Adafruit Metro, ma la maggior parte dei microprocessori sul mercato sono simili per quanto riguarda le diverse opzioni di pin.

• Ho impostato il circuito come segue:

  • Collegare un cavo a 5 V. Collegare un lato di una clip a coccodrillo all'altra estremità. Attacca l'altro lato della clip a coccodrillo a uno dei tuoi elettrodi. Questo sarà il tuo anodo.
  • Collega un filo ad A0 e collega l'altra estremità alla tua scheda. Aggiungi un altro filo in linea con il filo collegato ad A0 e alla tua scheda.
  • Collega una resistenza da 10 kOhm a questo filo sulla tua scheda. All'altra estremità del resistore, utilizzare un filo per collegare il sistema a terra.
  • Collega un altro filo a terra sul tuo microprocessore e accanto all'altro filo collegato a terra sulla breadboard.
  • Guarda le foto per la configurazione

Passaggio 4: compila/verifica e carica il codice

Ho usato il seguente codice che viene salvato sull'applicazione Arduino in Esempi di base ReadAnalogVoltage. Spero che questo abbia funzionato. I dati non erano come mi aspettavo, poiché la tensione è diminuita con l'aggiunta di più acqua salata. Ho riflettuto un po' sullo scopo del codice e ho deciso di correggere la tensione sottraendo l'uscita dai 5 V originali aggiunti al sistema. Ho quindi realizzato una curva di calibrazione utilizzando la concentrazione (calcolata - di cui parlerò nel prossimo passaggio) e la tensione corretta, che ora mostra la tensione come crescente con l'aggiunta di sale. Se qualcuno ha qualche consiglio su dove potrei aver sbagliato, me lo faccia sapere.

È interessante notare che ogni volta che ho rimosso il catodo o l'anodo dalla soluzione, il monitor seriale leggeva un'uscita di 5,00 V.

Passaggio 5: analisi dei dati

• La concentrazione di sale aggiunta per ogni iniezione si trova moltiplicando la molarità della tua soluzione salina per il volume di iniezione (cioè 1 mL=0,001 L), e poi dividendo per il volume totale (quindi diciamo che inizi con 250 mL=0,250 L, il volume totale per la prima iniezione è 0,251 L). Calcoleresti quindi la concentrazione dividendo (0,001 L*la molarità)/(volume totale o 0,251 L)
• Calcolare la concentrazione della soluzione campione dopo ogni aggiunta di soluzione salina.
• Ho corretto la tensione sottraendo la tensione di uscita dai 5,00 V iniziali. Questo mi ha fornito la curva di calibrazione positiva della concentrazione rispetto alla tensione che mi aspettavo, poiché l'aggiunta di elettrolita nella soluzione dovrebbe ridurre la resistenza della soluzione e consentire il flusso di corrente più efficacemente.
• Nota: per i miei grafici l'intervallo lineare è orribile. Consiglio vivamente di realizzare una soluzione di NaCl con una concentrazione molto più piccola o di utilizzare volumi di iniezione più piccoli. Ho raggiunto il massimo livello di rilevamento all'inizio dell'esperimento.
• Altri sali ionici potrebbero essere sciolti in acqua e usati con la stessa procedura. Avrei fatto delle prove con il sale di Epsom, se ne avessi avuto.

Riferimenti:

chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Ch…

chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Ch…

Queste pagine mi hanno aiutato a capire come aspettarsi che la tensione cambi quando l'elettricità è stata aggiunta alla soluzione salina a concentrazioni crescenti.