Percobaan Sains : Penentuan Bilangan Avogrado

Bilangan Avogadro tidak diturunkan dari persamaan matematik. Jumlah partikel dalam suatu mol bahan ditentukan secara percobaan. Metode ini menggunakan elektrokimia untuk menentukan nilai tersebut . Kita mungkin perlu melihat lagi kerja sel elektrokimia sebelum mencoba percobaan ini.

Tujuan
Tujuan dari percobaan adalah untuk membuat percobaan pengukuran bilangan Avogadro

Pengantar
Sebuah mol dapat didefinisikan sebagai rumus gram massa suatu zat atau massa atom suatu unsur dalam gram.
Dalam percobaan ini, aliran elektron (amper atau arus) dan waktu diukur untuk mendapatkan jumlah elektron yang melewati sel elektrokimia. Jumlah atom dalam sampel yang ditimbang berhubungan dengan aliran elektron untuk menghitung bilangan Avogadro. 

Pada sel elektrolitik kedua elektroda ini adalah tembaga dan elektrolitnya adalah 0,5 M H2SO4. Selama elektrolisis, elektroda tembaga (anoda) yang terhubung ke pin positif catu daya akan kehilangan massa karena atom tembaga diubah menjadi ion tembaga. Hilangnya massa bisa terlihat seperti kabut permukaan elektroda logam. Juga, ion tembaga masuk ke larutan air dan warnanya biru. Pada elektrode lain (katoda), gas hidrogen terbebaskan di permukaan melalui pengurangan ion hidrogen dalam larutan asam sulfat berair. Reaksinya adalah: 

2 H⁺(aq) + 2 electron -> H₂(g) 

Percobaan ini didasarkan pada hilangnya massa anoda tembaga, namun juga memungkinkan untuk mengumpulkan gas hidrogen yang terlibat dan menggunakannya untuk menghitung bilangan Avogadro. 

Alat dan Bahan
1. Sumber arus searah (baterai atau catu daya) 

2. Kabel terisolasi dan mungkin klip buaya untuk menghubungkan sel 

3. 2 Elektroda (mis., Strip tembaga, nikel, seng, atau besi) 

4. Beaker 250 ml yang berisi 0,5 M H2SO4 (asam sulfat)
5. Air 

6. Alkohol (mis., Metanol atau isopropil alkohol) 

7. Beaker 100 ml yang berisi 6 M HNO3 (asam nitrat)
8. Ammeter atau multimeter 

9. Stopwatch 

10. Timbangan analitis yang mampu mengukur hingga hingga ketelitian 0,0001 gram 

Prosedur
Siapkan dua elektroda tembaga. Bersihkan elektroda untuk digunakan sebagai anoda dengan merendamnya dalam 6 M HNO3 di dalam lemari asam selama 2-3 detik. Lepaskan elektroda segera atau asam akan menghancurkannya. Jangan menyentuh elektroda dengan jari-jari kita. Bilas elektroda dengan air keran bersih. Selanjutnya, celupkan elektroda ke dalam gelas beaker yang berisi alkohol. Tempatkan elektroda kekertas tisu. Bila elektroda kering, timbang pada timbangan analitik yang dapat mengukur hingga 0,0001 gram. 

Alat yang digunakan akan nampak sama seperti diagram sel elektrolisis, kecuali pada penggunaan dua gelas yang dihubungkan oleh ammeter yang memiliki elektroda bersama dalam larutan. Ambil gelas kimia dengan 0,5 M H2SO4 (korosif!) Dan letakkan elektroda di setiap gelas kimia. Sebelum membuat koneksi pastikan catu daya dimatikan dan dicabut (atau pasang baterai terakhir). Catu daya dihubungkan ke ammeter secara seri dengan elektroda. Tiang positif catu daya terhubung ke anoda. Pin negatif ammeter terhubung ke anoda (atau pasang pin di larutan jika kita khawatir dengan perubahan massa dari klip buaya yang menggores tembaga).

. 

Katoda dihubungkan ke pin positif ammeter. Sedangkan, katoda sel elektrolitik terhubung ke pos negatif baterai atau catu daya. Ingat, massa anoda akan mulai berubah begitu kita menghidupkannya, jadi kita gunakan stopwatch kita.

Kita memerlukan pengukuran arus dan waktu yang akurat. Ampere harus dicatat dalam interval satu menit (60 detik). Ampere ini dapat bervariasi selama percobaan karena adanya perubahan pada larutan elektrolit, suhu, dan posisi elektroda. Ampere yang digunakan dalam perhitungan harus rata-rata dari semua pembacaan. Biarkan arus mengalir minimal selama 1020 detik (17 menit). Ukur waktu ke detik atau detik detik terdekat. Setelah 1020 detik (atau lebih) matikan power supply rekam nilai ampere terakhir dan waktunya. 

Sekarang kita ambil anoda dari sel, keringkan seperti sebelumnya dengan merendamnya dalam alkohol dan membiarkannya dikeringkan pada kertas tisu, dan timbang beratnya. Jika kita menghilangkan lapisan pada anoda, Berarti kita akan mengeluarkan tembaga dari permukaan dan membuat datanya tidak valid lagi. Jika bisa, ulangi percobaan menggunakan elektroda yang sama.
 

Perhitungan Sampel Bilangan Avogadro.
Pengukuran berikut dilakukan: 

Massa yang hilang dianoda : 0.3554 gram (g)
Arus (rata-rata): 0.601 ampere (amp)
Waktu elektrolisis: 1802 detik (s)

Ingat
Satu ampere = 1 coulomb/second atau 1 amp.s  = 1 coulomb
Muatan satu elektron is 1.602 x 10^-19 coulomb

Temukan total muatan yang melewati sirkuit.
(0,601 amp) (1 coul / 1 amp-s) (1802 s) = 1083 coulomb

Menghitung jumlah elektron dalam elektrolisis.
(1083 coul)(1 electron/1.6022 x 10¹⁹coul) = 6.759 x 10²¹ electrons  

Menentukan jumlah atom hilang dari anoda.
Proses elektrolisis menggunakan dua elektron untk satu ion tembaga yang terbentuk. Jadi jumlah ion tembaga (II) yang terbentuk adalah setengah dari jumlah elektron.

Jumlah 1 ion Cu²⁺ ions = ½ jumlah elektron yang di ukur
Jumlah satu ion Cu²⁺  = (6.752 x 10²¹ elektrons)(1 Cu²⁺ / 2 elektron)
Jumlah ion Cu²⁺ = 3.380 x 10²¹ Cu²⁺ 

Hitung jumlah ion tembaga per gram tembaga dari jumlah ion tembaga di atas dan massa ion tembaga yang dihasilkan.
Massa ion tembaga yang dihasilkan sama dengan kehilangan massa anoda. (Massa elektron sangat kecil sehingga dapat diabaikan, jadi massa ion tembaga (II) sama dengan massa atom tembaga.)
Kehilangan massa elektroda = massa ion Cu2 + = 0,3554 g
3,380 x 1021 ion Cu2 + / 0,3544 g = 9,510 x 1021 ion Cu2 + / g = 9.510 x 1021 atom Cu / g

Hitung jumlah atom tembaga dalam mol tembaga, 63,546 gram.
Atom Cu / mol Cu = (9.510 x 1021 atom tembaga / g tembaga) (63,546 g / tembaga mol)
Atom Cu / mol Cu = 6,040 x 1023 atom tembaga / mol tembaga

Menghitung persen kesalahan.
Kesalahan absolut: | 6.02 x 1023 - 6.04 x 1023 | = 2 x 1021 
Persen kesalahan : (2 x 10 21 / 6.02 x 10 23) (100) = 0,3%