PRACTICA 2: DETERMINACIÓN DE LA CARGA ELECTRICA FUNDAMENTAL A. OBJETIVOS a. Establecer experimentalmente el valor de la carga eléctrica elemental. B. INTRODUCCIÓN Cuando se calienta un filamento, este emite electrones, tal como se evapora las moléculas de un líquido al calentarse. Este fenómeno se llama emisión termoiónica. Otro fenómeno interesante es el de la electrolisis. Supongamos que se establece un campo eléctrico E producido por dos barras paralelas sumergidas en la solución electrónica llamada electrodos. Se observa que las cargas eléctricas fluyen y que ciertas clases de átomos cargados se mueven hacia el electrodo positivo o ánodo, y las otras se mueven hacia el electrodo negativo o cátodo. Este fenómeno sugiere que las moléculas de la sustancia disuelta se han separado (o disociado) en dos partes diferentemente cargadas o iones. En 1807 Sir Humphrey Davy hizo pasar una corriente a través de una disolución de potasa (hasta entonces considerada como un elemento) y produjo su descomposición, aislando así por primera vez el elemento potasio y mostrando que la potasa es realmente el hidróxido de potasio (KOH). Utilizando las leyes de Faraday podemos mostrar la siguiente ecuación: Δm AI = Δt N A v e Dónde: Δm
Δt I
: Incremento de masa en el electrodo : Tiempo : Intensidad de corriente
NA
: Número de Avogadro
v
: Valencia del Cu
e
: Carga elemental
A
: Masa atómica del Cu
C. EQUIPO Y MATERIAL a. Recipiente de vidrio b. Resistencia variable c. Amperímetro d. Papel lijar e. Balanza de precisión f. Cables de conexión g. Fuente de poder h. Solución de sulfato de cobre i. Electrodos planos de cobre j. Cronometro
23
−1
6.022∗10 (mol )
D. ESQUEMA
E. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Lijar las placas de cobre por ambos lados y luego enjuáguelos, teniendo cuidado de no tocar con los dedos la zona lijada. 2. Instale el equipo como se muestra en el esquema
3. Las placas deben estar en una solución de Sulfato de Cobre (CuSo4) y separadas una distancia aproximada de 2 a 4 cm. Las placas no se deben tocar 4. Antes de cerrar el circuito el profesor debe verificar orden de inicio.
y dar la
5. Cerrar el circuito eléctrico con la fuente de tensión continua a un voltaje aproximado de 12V y paralelamente establecer el tiempo con el cronometro. 6. Regule el reóstato de tal forma que la intensidad de corriente sea aproximadamente 1A y registre el valor de la corriente I: 1 ± 0.01 A 7. Luego de transcurridos 5 minutos, retirar los electrodos con mucho cuidado sin tocar las superficies sumergidas con los dedos, enjuáguelos y ponga a secarlos. 8. Secos los electrodos, determine la masa de cada uno. (TABLA 1) 9. Distinga el cátodo del ánodo. 10. Nuevamente coloque los electrodos en la solución, manteniendo la polaridad y cierre el circuito, para un tiempo de 30 minutos aproximadamente. 11. Retire los electrodos con mucho cuidado, ponga a secar los electrodos y mida la masa de cada uno de ellos, registre sus datos en la TABLA 1. 12. Medir el área de superficie de cada placa de cobre sumergida. TABLA 1: Datos obtenidos en la primera prueba
Electrodos
Cátodo
mf
mi
∆m
(g)
(g)
(g)
Superficie del cobre , sumergida dentro de la solución (cm2)
104.3 5
105.3 8
1.03
9.5x7=66.5
Ánodo
109.2 5
108.6 4
-0.61
9.6x6.9=66.24
Valor de la intensidad de corriente I: (1±0.01) A Tiempo t: (1800±0.1) s ANÁLISIS DE DATOS EXPERIMENTALES 1. Utilizando la TABLA 1 calcular el incremento de masa ∆ m=mf −mi
de cada electrodo.
Incremento de masa del Cátodo: ∆ m=mf −mi ∆ m=105.38−104.35=1.03 Incremento de masa del ánodo: ∆ m=mf −mi ∆ m=108.64−109.25=−0.61
2. Calcular la incertidumbre del incremento de la masa La incertidumbre de la masa es de 0.1 g, este valor esta dado en la balanza de precisión. 3. Calcular el valor de la carga eléctrica fundamental, utilizando la ecuación 1 Para poder hallar la carga eléctrica fundamental, tomamos el incremento de masa en el cátodo. e=
e=
A×I×∆T N×V ×∆m
63.54 × 1× 1800 6.022× 1023 ×2 ×1.03 e=0.922 x 10
−19
c
4. Calcular la incertidumbre del valor de la carga eléctrica fundamental de dΙ dΔm dΔt = + + e Ι m Δt
de 0.02 0.1 0.01 = + + −19 1 1.03 1800 0.922∗10
de=1.08 x 10−20 5. Calcular el espesor del Cobre acumulado en el electrodo. Para calcular el espesor primero se halla el volumen a partir de su masa y la densidad del cobre (8.91 g/cm3)
Se toma la variación de la masa del cátodo ya que en éste se da un aumento con relación a su masa final (+1.03) ρ=
m V
8.91 g/cm3 = 1.03 g/v V = 0.1156 = 0.116 cm3 Ahora que ya hemos encontrado el volumen, usamos esta ecuación: V =Lado × Anc h o × Grosor
Sabemos que la superficie del Cátodo, sumergida dentro de la 2 solución en cm
es de: 66.5
cm 2
Reemplazamos 0.116 cm3 = 66.5cm2 x Grosor Grosor = 0.116 cm3 / 66.5cm2 Grosor = 1.74436x 10-3 = 1.744x 10-3 cm El espesor acumulado de Cobre en el electrodo es de 1.744 x 10-3 cm o 0.001744cm
F. COMPARACIÓN Y EVALUACIÓN DE RESULTADOS 1. Comparar el valor obtenido experimentalmente con el valor bibliográfico de la carga eléctrica fundamental
(
−19
−19
1 . 602177 ×10 −0.922 ×10 C= −19 1 . 602177 ×10
)
100
C=¿ 42.45%
2. ¿Qué tipo de error ha cometido? Es un error sistemático, ya que está fuera del rango permitido por la incertidumbre. G. CONCLUSIONES Gracias a esta práctica pudimos establecer experimentalmente el valor de la carga eléctrica elemental. Aprendimos a usar una fuente de alimentación y un voltímetro. Aprendimos que es necesario un medio para transferir electrodos. En el caso del presente experimento fue el sulfato de cobre. A medida que avanza el tiempo la masa del cátodo aumenta y el ánodo disminuye.
H. BIBLIOGRAFÍA 1. RAYMON A. SERWAY a. FÍSICA, VOL II, 1996, Mc Graw Hill, México 2. SERWAY – JEWETT a. ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO, 2014, Séptima Edición, Mc Graw Hill, México 3. FÍSICA, VOL.II, CAMPOS Y ONDAS, M. ALONSO Y E. J. FINN, FONDO EDUCATIVO INTERAMERICANO, ED. INGLESA, ADDISON-WESLEY, READING MASS. (1967)
4. MANUAL DE FÍSICA ELEMENTAL, N. KOSHKIN Y M. G. SHIRKEVICH,
MIR, MOSCÚ (1975)
