La détermination du nombre d’Avogadro est une expérience courante dans les cours de chimie de niveau secondaire et collégial. Le nombre d’Avogadro, 6,022 E23, est le nombre d’atomes dans une mole. Notez que la notation exponentielle 6.022 E23 signifie 6.022 fois 10 à la puissance de 23. C’est souvent écrit 6.022 x 10^23. La procédure la plus courante pour sa détermination implique l’électrolyse du cuivre par passage d’un courant électrique entre deux plaques de cuivre. Au cours de la réaction, les atomes de cuivre de la plaque attachés à la borne négative de la source d’énergie – l’anode – perdent des électrons pour former des ions Cu(2+). Lorsque les atomes de cuivre perdent des électrons, ils se dissolvent dans l’électrolyte liquide. La plaque de cuivre attachée à la borne positive – la cathode – « plaques » simultanément les ions Cu(2+) de l’électrolyte sur l’électrode en ajoutant des électrons pour convertir les ions en cuivre métal. L’anode de cuivre perd donc progressivement de la masse au fur et à mesure de la réaction et la cathode gagne une masse de cuivre égale à la masse perdue à l’anode. Si l’expérimentateur surveille le courant électrique délivré à la cellule et le temps pendant lequel il est délivré, cette information, ainsi que la masse de l’anode de cuivre avant et après l’électrolyse, permet de calculer le nombre d’Avogadro.
Recueillir les données expérimentales nécessaires. Dans le cas de l’expérience populaire de l’électrolyse du cuivre, cela inclut la masse, en grammes, de l’électrode de cuivre avant et après l’électrolyse, le courant moyen, en ampères, utilisé pendant l’expérience, et le temps, en secondes, que le courant a été appliqué.
Calculez la charge électrique totale transférée en multipliant le courant moyen, en ampères, par le temps, en secondes. Parce que 1 coulomb = 1 ampère seconde, la réponse est en unités de coulombs. Par exemple, un courant moyen de 0,109 ampères appliqué pendant 60 minutes, ou 3600 secondes, correspondrait à un courant de 0,109 ampères.
(0,109 ampères) * (3600 secondes) = 392 coulombs.
Calculez le nombre d’électrons transférés en divisant par la charge d’un seul électron : 1,602 E-19 coulombs/électron.
(392 coulombs) / (1,602 E-19 coulombs/électron) = 2,45 E21 électrons.
Calculez le nombre d’atomes de cuivre transférés en divisant le résultat de l’étape 3 par deux. Ceci résulte de l’hypothèse d’une charge de +2 pendant l’électrolyse, ce qui signifie que deux électrons sont transférés pour chaque atome de cuivre.
(2,45 E21 électrons) / (2 électrons/atome) = 1,23 E21 atomes de cuivre.
Déterminer les moles de cuivre électrolysé pendant le processus en soustrayant le poids de l’électrode de cuivre après l’électrolyse de son poids de départ et en divisant par sa masse atomique.
Par exemple, si une électrode en cuivre de 35,975 g pesait 35,846 g à la fin de l’expérience, alors 35,975 g – 35,846 g = 0,129 g. Et étant donné que le poids atomique du cuivre est de 63,55 g par mole, le poids atomique du cuivre est de 63,55 g par mole.
(0,129 g) / (63,55 g/mol) = 0,00203 moles de cuivre.
Calculer le nombre d’Avogadro, N, en divisant le nombre d’atomes de cuivre transférés, déterminé à l’étape 4, par le nombre de moles de cuivre perdues de l’électrode, déterminé à l’étape 5.
Poursuivre l’exemple précédent,
(1,23 atomes E21) / (0,00203 moles) = 6,06 atomes E23/mole, ce qui est très proche de la valeur acceptée de 6,022 E23.
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