Підготовка до експерименту
1. З першого закону Фарадея для електролізу ($m = k \cdot I \cdot t$) отримайте формулу для визначення електрохімічного еквівалента.
Для визначення електрохімічного еквівалента поділимо обидві частини рівняння першого закону Фарадея на добуток сили струму та часу його проходження:
$$k = \dfrac{m}{I \cdot t}$$
2. Запишіть план проведення експерименту щодо визначення електрохімічного еквівалента.
- Підготувати електроди: очистити, промити, просушити та позначити той, який виконуватиме роль катода.
- Визначити початкову масу катода $m_0$ за допомогою електронних терезів.
- Скласти електричне коло, що містить джерело струму, амперметр, реостат, вимикач (ключ) та електролітичну ванну з розчином купрум(II) сульфату.
- Провести процес електролізу протягом фіксованого проміжку часу $t$, підтримуючи постійну силу струму $I$ за допомогою реостата.
- Розімкнути коло, обережно вийняти катод, промити його, висушити та повторно зважити для знаходження кінцевої маси $m$.
- Обчислити масу виділеної міді $\Delta m = m – m_0$ та розрахувати електрохімічний еквівалент міді за формулою $k = \dfrac{\Delta m}{I \cdot t}$.
Експеримент
1. Закріпіть електроди в тримачі.
Електроди надійно закріплені в тримачі паралельно один одному.
2. Занурте електроди, закріплені в тримачі, в розчин електроліту на 2–3 хв, потім дістаньте їх і промокніть серветкою.
Електроди витримано в розчині купрум(II) сульфату для змочування, після чого вийнято та акуратно просушено фільтрувальним папером.
3. Вийміть один з електродів із тримача. На верхній частині електрода зробіть будь-яку позначку — цей електрод слугуватиме катодом.
На верхню частину одного з електродів нанесено позначку. Цей електрод під’єднується до негативного полюса джерела струму й виконує роль катода.
4. Зважте електрод із позначкою з точністю до 10 мг і знову закріпіть електрод у тримачі.
Початкова маса катода становить:
$m_0 = 15{,}20\text{ г} = 15,200\text{ мг}$
5. Складіть електричне коло за схемою.
Зібрано електричне коло, у якому послідовно з’єднані джерело постійного струму, амперметр, реостат, ключ та електролітична ванна з електродами.
6. Занурте електроди в розчин купрум(II) сульфату, замкніть ключ і за допомогою реостата встановіть силу струму в колі не більше 1 А. Зафіксуйте час початку електролізу.
Після замикання кола встановлено силу струму $I = 0{,}5\text{ А}$ та зафіксовано початковий момент часу.
7. Здійснюйте електроліз протягом 15 хв, увесь час слідкуючи за показником амперметра та підтримуючи за допомогою реостата силу струму в колі незмінною.
Процес електролізу тривав $t = 15\text{ хв} = 900\text{ с}$. Сила струму підтримувалася стабільною на рівні $0{,}5\text{ А}$.
8. Після закінчення часу, відведеного для електролізу, розімкніть коло, вийміть електрод із шаром міді з тримача, дуже обережно промокніть його серветкою та зважте.
Кінцева маса катода після електролізу та висушування становить:
$m = 15{,}35\text{ г} = 15,350\text{ мг}$
Таблиця результатів вимірювань та обчислень
| Сила струму $I$, А | Час електролізу $t$, с | Початкова маса катода $m_0$, г | Кінцева маса катода $m$, г | Маса міді $\Delta m$, мг | Електрохімічний еквівалент $k$, мг/Кл |
|---|---|---|---|---|---|
| $0{,}5$ | $900$ | $15{,}20$ | $15{,}35$ | $150$ | $0{,}33$ |
Опрацювання результатів експерименту
1. Визначте масу міді, що виділилася на катоді: $\Delta m = m – m_0$. Результат подайте в міліграмах.
$$\Delta m = m – m_0$$
$$\Delta m = 15{,}35\text{ г} – 15{,}20\text{ г} = 0{,}15\text{ г} = 150\text{ мг}$$
2. Знайдіть значення електрохімічного еквівалента міді: $k = \dfrac{\Delta m}{I \cdot t}$. Результат округліть до двох значущих цифр.
$$k = \dfrac{\Delta m}{I \cdot t}$$
$$k = \dfrac{150\text{ мг}}{0{,}5\text{ А} \cdot 900\text{ с}} = \dfrac{150}{450} \approx 0{,}33\text{ мг/Кл}$$
Аналіз експерименту та його результатів
Проаналізуйте експеримент і його результати.
У ході проведеного експерименту на основі вимірювання маси речовини, що виділилася на катоді, сили струму та часу його проходження було експериментально визначено електрохімічний еквівалент міді. Отримане значення $k \approx 0{,}33\text{ мг/Кл}$ майже збігається з табличним значенням для двовалентної міді ($k_{\text{табл}} = 0{,}329\text{ мг/Кл}$).
Висновок:
- Досліджуване явище: процес електролізу у водному розчині електроліту (купрум(II) сульфату).
- Вимірювані фізичні величини: сила струму $I$, тривалість процесу $t$, початкова $m_0$ і кінцева $m$ маса катода.
- Порівняння результатів: експериментально отримане значення електрохімічного еквівалента ($0{,}33\text{ мг/Кл}$) узгоджується з табличним ($0{,}329\text{ мг/Кл}$).
- Причини можливих похибок: похибки вимірювальних приладів (терези, амперметр, секундомір), коливання сили струму під час досліду, неповне висушування катода перед повторним зважуванням або часткове осипання осаду міді.
Творче завдання
Запропонуйте спосіб визначити масу хлору, що виділяється на аноді за певний час електролізу водного розчину натрій хлориду (кухонної солі), якщо є таке обладнання: джерело живлення, з’єднувальні проводи, два набори для електролізу (дві склянки, два тримачі, чотири електроди), терези, водний розчин купрум(II) сульфату, водний розчин натрій хлориду, таблиця електрохімічних еквівалентів.
Розв’язання:
Оскільки хлор є газом, виміряти його масу прямим зважуванням на звичайних терезах неможливо. Для визначення маси хлору скористаємося методом непрямих вимірювань:
- З’єднаємо дві електролітичні ванни послідовно в одне електричне коло. У першу склянку наллємо розчин $\text{CuSO}_4$, а в другу — розчин $\text{NaCl}$.
- При послідовному з’єднанні сила струму й час його проходження через обидва електроліти однакові, отже, через обидві ванни проходить однаковий електричний заряд:
$$q = I \cdot t$$ - За першим законом Фарадея:
- маса міді, що виділилася на катоді: $\Delta m_{\text{Cu}} = k_{\text{Cu}} \cdot q \implies q = \dfrac{\Delta m_{\text{Cu}}}{k_{\text{Cu}}}$
- маса хлору, що виділився на аноді: $\Delta m_{\text{Cl}} = k_{\text{Cl}} \cdot q$
- Підставивши вираз для заряду $q$, отримаємо формулу для розрахунку маси хлору:
$$\Delta m_{\text{Cl}} = \dfrac{k_{\text{Cl}}}{k_{\text{Cu}}} \cdot \Delta m_{\text{Cu}}$$ - Масу виділеної міді $\Delta m_{\text{Cu}}$ визначаємо зважуванням катода до і після електролізу, а значення $k_{\text{Cu}}$ і $k_{\text{Cl}}$ беремо з таблиці електрохімічних еквівалентів.