Визначення електрохімічного еквівалента

РЕЧОВИНИ ТА ОБЧИСЛЕННЯ ВЕЛИЧИНИ

ЕЛЕМЕНТАРНОГО ЗАРЯДУ

Мета роботи: Ознайомитись з явищами електролітичної дисоціації, електролізу; використовуючи явище електролізу; визначити електрохімічний еквівалент міді; обчислити величину елементарного заряду.

Прилади і матеріали: 1) мідний вольтаметр, 2) лабораторний випрямляч В-24, 3) реостат (33 Ом, 3 А), 4) амперметр, 5) вимикач, 6) з'єднувальні провідники, 7) шматок наждачного паперу, 8) технічні важільні терези з набором важків, 9) секундомір.

 

Короткі теоретичні відомості

Речовини, молекули яких у розчині розпадаються на іони, називаються електролітами. Такий процес розпаду молекул називається електролітичною дисоціацією. До електролітів відносять водні розчини солей, кислот, лугів, а також розплавлені солі. Електричний струм в електролітах обумовлений рухом позитивних і негативних іонів під дією зовнішнього електричного поля. Тому провідність.електролітів, на відміну від електронної провідності в металах, називають іонною, а електроліти провідниками другого роду. Проходження постійного струму через електроліти супроводжується виділенням складових частин цих речовин на електродах. Це явище називається електролізом.

Якщо ввести в електроліт два електроди, з'єднані з полюсами джерела постійної напруги, то під дією електричних сил іони в розчині почнуть рухатись до електродів: до аноду будуть рухатись від'ємні іони (аніони), до катоду – додатні іони (катіони).

Досягнувши електродів, іони розряджаються: аніони віддають аноду електрони, катіони сприймають електрони від катоду. Наприклад, молекули мідного купоросу дисоціюють на позитивні іони і негативні іони : .

Крім цього розчин має також водневі Н⁺ і гідроксильні ОН^‑ іони води. Йони міді розряджаються легше ніж іони Н⁺, тому при проходженні струму через електроліт на катоді буде відбуватися виділення міді: .

Іони важче розряджаються, ніж іони ОН^‑, тому на аноді розряджаються іони гідроксилу і виділяється кисень: . Іони з іонами Н⁺ утворюють біля аноду розчин сірчаної кислоти .

Якщо анод виготовлений з міді, то розряд іонів відбувається тільки біля катоду, а біля аноду, навпаки, іони металу переходять в розчин внаслідок реакції міді з сірчаною кислотою. В цьому випадку замість виділення кисню буде відбуватись перехід з аноду в розчин іонів . Отже, електроліз при мідному аноді зводиться до переносу міді з аноду на катод. В той же час кількість мідного купоросу в розчині залишається незмінною. Закони електролізу відкрив 1833 року М. Фарадей.

І закон Фарадея: Маса речовини, яка виділилась на електроді, пропорційна величині заряду , що пройшов через електроліт, тобто

, (1)

де І – величина струму, що проходить через електроліт, t – час проходження струму, k – електрохімічний еквівалент речовини.

Електрохімічний еквівалент показує, яка кількість речовини виділяється на електроді при проходженні через електроліт одиниці кількості електрики.

2 закон Фарадея: Електрохімічні еквіваленти речовин пропорційні їх хімічним еквівалентам

, (2)

де С – коефіцієнт пропорційності, А – атомна вага (для міді А=63,54х10^-3 кг/моль), z – валентність речовини (для міді z=2). Величина А/z називається хімічним еквівалентом речовини. Отже,

(3)

При виділенні одного кілограм-еквівалента речовини () кількість електрики, яка проходить через електроліт дорівнює

. (4)

Величина F = 1/C називається числом Фарадея. Це число показує, який заряд переноситься одним кілограм-еквівалентом речовини. Тому

. (5)

В одному кіломолі будь-якої речовини міститься однакове число атомів: кмоль^–1 (число Авогадро). Тоді маса одного йона (масами відірваних від атома електронів нехтуємо) дорівнює

.. (6)

Якщо заряд одного іона рівний Zе, де е – заряд електрона, Z – валентність, то заряд, який переносять іонів буде:

, (7)

а маса речовини, яка виділиться на електроді, буде рівна

. (8)

Отже, . (9)

Порівнюючи вирази (5) і (9) бачимо, що

. (10)

Звідки (11)

Заряд одновалентного іона чисельно дорівнює заряду електрона. Тому заряд електрона можна знайти за формулою:

(12)

 

Хід роботи

1. Скласти схему згідно з рис.1. Встановити силу струму А.

2. Вийняти катодну пластинку, ретельно обчистити її з обох боків.

3. Визначити масу катодної пластинки .

4. Встановити електрод на місце в електролітичну ванну. Одночасно з вмиканням кола, пустити секундомір. Пропускати струм постійної величини протягом 20-30 хв.

5. Вимкнути одночасно коло і секундомір. Висушити і зважити катод. Знайти масу міді, що виділилась як різницю мас катода після проходження струму () і до проходження струму ().

6. Результати для обчислення електрохімічного еквівалента міді занести в таблицю:

№ п/п

m 1, кг

m 2, кг

D m, кг

M=m 2 - m 1, кг

D M, кг

I, А

D I, А

t, с

D t, с

k, кг/Кл

D k, кг/Кл

E к, %

 

Таблиця для обчислення числа Фарадея і елементарного заряду:

№ п/п	A, кг/моль	Z	N a 1/моль	k, кг/Кл	D k, кг/Кл	F, Кл/ моль	D F, Кл/ моль	е, Кл	D e, Кл	EF ,, %	Ee, %

 

7. Обчислити абсолютну і відносну похибку шуканих величин.

 

Контрольні запитання

1. Які речовини називають електролітами? Наведіть приклади.

2. Що обумовлює існування електричного струму в електролітах?

3. Який тип провідності є характерним для електролітів?

4. Надайте класифікацію провідників за типами провідності.

5. Яке фізичне явище називають електролізом?

6. Що називають катодом, анодом, катіоном, аніоном?

7. Сформулюйте і поясніть закони Фарадея для електролізу.

8. Дайте означення електрохімічного еквівалента речовини, в яких одиницях він вимірюється в СІ? хімічного еквівалента речовини, в яких одиницях він вимірюється в СІ?

9. Що таке валентність речовини?

10. Що називають числом Фарадея, в яких одиницях воно вимірюється в СІ?

11. Що називають числом Авогадро, в яких одиницях воно вимірюється в СІ?

12. Чому дорівнює табличне значення величини елементарного заряду виміряного в СІ?

13. Який зв'язок між числом Фарадея, хімічним еквівалентом і електрохімічним еквівалентом речовини?

14. У чому полягає суть розглядуваного методу з вимірювання електрохімічного еквіваленту речовини та величини елементарного заряду?

 

Лабораторна робота № 4