Mini ogniwo elektrolityczne: 5 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

Pracuję nad tym projektem na moim kursie z chemii instrumentalnej. Moim celem było zmierzenie napięcia wykrytego przez katodę w słonej wodzie. Wykonałem standardowe dodanie około 6,6 M słonej wody, z wstrzyknięciami 1 ml za pomocą strzykawki leczniczej.

Kieszonkowe dzieci

• Cylinder miarowy, pipeta wolumetryczna, mikropipeta itp. do pomiaru objętości. Użyłem strzykawki lekarskiej z oznaczeniami 0,2 mL.
• Mikroprocesor, czyli urządzenie Arduino
• asortyment przewodów męsko-męskich i żeńsko-męskich
• dwa zaciski krokodylkowe
• płytka do krojenia chleba
• Rezystor 10 kΩ lub podobny do dzielnika napięcia
• Naczynie do elektrolizy. Użyłem starego słoika na przyprawy i całkiem dobrze się sprawdził
• Dwa spinacze do papieru do wykonania katody i anody. Przecinam również słomkę na sekcje, aby pewniej trzymać elektrody na swoim miejscu i zapobiec ich stykaniu się ze sobą lub szkłem.
• Sól kuchenna (NaCl)
• Woda z kranu

Krok 1: Przygotuj roztwór soli

Użyłem łyżek stołowych do odmierzenia ilości soli i miarki z oznaczeniami 50 ml do odmierzenia wody podczas sporządzania roztworu soli. Użyłem soli jodowanej marki Clover Valley. Odmierzyłem 3 łyżki soli, dodałem sól do miarki i napełniłem kubek do 250 ml wodą z kranu. 1 łyżka stołowa to około 14,7868 ml, więc 3 łyżki to około 44,3604 ml. Gęstość chlorku sodu wynosi 2,16 g/cm^3. Pomnożyłam objętość i gęstość, aby wyznaczyć masę NaCl, która wyniosła 95,82 g. Masa molowa NaCl wynosi 58,44 g/mol, więc liczba moli NaCl wynosiła 1,64 mola. 1,64 mola podzielone przez całkowitą objętość 250 ml lub 0,250 l dało 6,56 M roztwór NaCl. W ten sposób mógłbym znaleźć stężenie twojej próbki soli, jeśli nie masz do dyspozycji żadnego wymyślnego sprzętu.

Krok 2: Konfiguracja ogniwa elektrochemicznego

• Jak wspomniałem wcześniej, użyłem słoika na przyprawy z wystarczająco szerokimi otworami u góry, abym mógł wstrzykiwać słoną wodę za pomocą strzykawki leczniczej. Każdy rodzaj naczynia powinien działać, ale najlepiej jest móc zawiesić elektrody i roztwór i móc je umieścić w miejscu, w którym nie stykają się ze sobą ani ze ściankami pojemnika.
• Rozłożyłem i wyprostowałem dwa spinacze do papieru, żeby zrobić katodę i anodę. Wypolerowałem je również papierem ściernym, aby upewnić się, że nie ma powłoki, która pełniłaby funkcję izolatora. Zrobiłem małe rurki, przecinając słomkę na ósemki. Użyłem rurek ze słomy w otworach słoika na przyprawy, w których umieszczono katodę i anodę, aby upewnić się, że pozostaną na swoim miejscu, gdy zamocuję zaciski krokodylkowe. Mam nadzieję, że obraz pomoże w wizualizacji tego.
• Najlepiej, aby katoda i anoda znajdowały się w roztworze na podobnym poziomie głębokości.
• Dodaj wodę do słoika z przyprawami, gdzie elektrody są częściowo zanurzone w wodzie, powiedziałbym, że przynajmniej centymetr w wodzie. Chcesz zostawić trochę miejsca w naczyniu na czas wstrzykiwania do niego roztworu soli.

Krok 3: Skonfiguruj swój obwód

• Użyłem mikroprocesora Adafruit Metro, ale większość mikroprocesorów na rynku jest podobna, jeśli chodzi o różne opcje pinów.

• Układ ustawiłem w następujący sposób:

  • Podłącz przewód do 5 V. Przymocuj jedną stronę zacisku krokodylkowego do drugiego końca. Przymocuj drugą stronę zacisku krokodylkowego do jednej z elektrod. To będzie twoja anoda.
  • Podłącz przewód do A0 i podłącz drugi koniec do swojej płytki. Dodaj kolejny przewód zgodnie z przewodem podłączonym do A0 i twojej płytki.
  • Podłącz rezystor 10 kOhm do tego przewodu na płycie. Na drugim końcu rezystora użyj przewodu, aby podłączyć system do masy.
  • Podłącz kolejny przewód do uziemienia na mikroprocesorze i obok drugiego przewodu podłączonego do uziemienia na płytce stykowej.
  • Zobacz zdjęcia do konfiguracji

Krok 4: Skompiluj/zweryfikuj i prześlij kod

Użyłem poniższego kodu, który jest zapisany w aplikacji Arduino pod Przykładami Basics ReadAnalogVoltage. Mam nadzieję, że to zadziałało. Dane nie były takie, jak się spodziewałem, ponieważ napięcie spadało wraz z dodawaniem większej ilości słonej wody. Zastanowiłem się trochę nad przeznaczeniem kodu i postanowiłem zrobić skorygowane napięcie, odejmując wyjście od oryginalnego 5 V dodanego do układu. Następnie wykonałem krzywą kalibracyjną wykorzystując stężenie (wyliczone – o czym opowiem w następnym kroku) i skorygowane napięcie, które teraz pokazuje, że napięcie rośnie wraz z dodatkiem soli. Jeśli ktoś ma jakąś radę, gdzie mogłem popełnić błąd, daj mi znać.

Co ciekawe, za każdym razem, gdy usuwałem katodę lub anodę z roztworu, monitor szeregowy odczytywał wyjście 5,00 V.

Krok 5: Analiza danych

• Stężenie soli dodawanej do każdego wstrzyknięcia oblicza się, mnożąc molarność roztworu soli przez objętość wstrzyknięcia (tj. 1 ml=0,001 l), a następnie dzieląc przez całkowitą objętość (więc załóżmy, że zaczynasz od 250 ml=0,250 l, całkowita objętość pierwszego wstrzyknięcia wynosi 0,251 l). Następnie obliczysz stężenie, dzieląc (0,001L*molarność)/(całkowita objętość lub 0,251L)
• Po każdym dodaniu roztworu soli obliczyć stężenie roztworu próbki.
• Skorygowałem napięcie odejmując napięcie wyjściowe od początkowych 5,00 V. Dało mi to dodatnią krzywą kalibracji stężenia w funkcji napięcia, którego się spodziewałem, ponieważ dodanie elektrolitu w roztworze powinno zmniejszyć opór roztworu i umożliwić przepływ prądu bardziej efektywnie.
• Uwaga: dla moich wykresów zakres liniowy jest okropny. Gorąco polecam zrobienie roztworu NaCl o znacznie mniejszym stężeniu lub użycie mniejszych objętości wtrysku. Na początku eksperymentu ograniczyłem wykrywanie.
• Inne sole jonowe można było rozpuścić w wodzie i zastosować w tej samej procedurze. Zrobiłbym próby z solą epsom, gdybym miał jakąkolwiek.

Bibliografia:

chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Ch…

chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Ch…

Te strony pomogły mi zrozumieć, jak oczekiwać zmiany napięcia po dodaniu elektryczności do roztworu soli o rosnącym stężeniu.