Законы электролиза. Определение электрохимического эквивалента вещества и заряд иона меди (Лабораторная работа № 6)

Лабораторная работа 6

Законы электролиза

Цель работы: изучить законы электролиза, определить электрохимический эквивалент вещества и заряд иона меди.

Задание 1. Определить электрохимический эквивалент вещества. Вычислить заряд иона.

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, электролитическая ванночка с угольным и медным электродами, амперметр, реостат и ключ.

Теория метода

Многие жидкости очень плохо проводят электрический ток, например, дистиллированная вода, керосин, глицерин и т. д. Наоборот, водные растворы солей, кислот и щелочей хорошо проводят электрический ток. Прохождение тока через эти жидкости вызывает выделение их составных частей на электродах. Это явление получило название электролиза, а сами жидкости были названы электролитами.

Прохождение тока через электролиты неразрывно связано с переносом вещества. Отсюда следует, что в электролитах в отличие от металлических проводников, носителями тока являются не свободные электроны, а ионы – заряженные частицы вещества. Ионы представляют собой атомы или группы атомов, обладающие избыточным или недостаточным количеством электронов по сравнению с нейтральными атомами или молекулами. Процесс расщепления нейтральных молекул жидкости на заряженные ионы называется электролитической диссоциацией.

В данной работе в емкость С налит водный раствор медного купороса CuSО₄. В нее опущены два электрода: В – угольный и D – медный (рис. 1).

Рис. 1.Схема установки для изучения электролиза

К электродам присоединены через реостат амперметр А и ключ К, а также источник постоянного тока. Угольный электрод В соединен с отрицательным полюсом батареи. Между электродами в растворе образуется электрическое поле. Под влиянием этого поля ионы, на которые диссоциировали в растворе молекулы медного купороса, начнут двигаться. В результате через раствор пойдет ток.

Пропуская ток через раствор медного купороса, легко заметить, как на темной поверхности угольного катода осаждается красноватый слой меди. Это убеждает нас, что медь присутствовала в растворе в виде положительных ионов. Остальная часть диссоциированной молекулы CuSO₄, т. е. группа SO₄ должна образовать отрицательные ионы. Таким образом, молекулы медного купороса диссоциируют при растворении в воде на положительные ионы меди Cu и отрицательные ионы SO₄, что запишется следующим образом

Двойные значки «+ +» и «– –» означают, что ионы являются двухзарядными, т. е. возникают соответственно в результате потери двух электронов и захвата двух лишних электронов. В нашем примере отрицательно заряженные ионы , нейтрализовавшись у медного анода, вступают с ним в химическую реакцию и образуют вновь молекулы медного купороса

.

В результате количество медного купороса в растворе остается неизменным, на катоде же выделяется медь.

Законы электролиза были экспериментально установлены Фарадеем в 1834 году.

Первый закон Фарадея: масса m выделившегося на электроде вещества прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит

                                                         (1)

Коэффициент пропорциональности k, численно равный массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единицы электрического заряда, называется электрохимическими эквивалентом вещества.

Если через электролит пропускается постоянный ток I в течение времени t, то

,

и уравнение (1) можно записать в виде

.                                                       (2)

Второй закон Фарадея: электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту

,                                                         (3)

где отношение молярной массы М вещества к его валентности Z, т. е.  называют химическим эквивалентом,  – универсальная постоянная для всех элементов. Величину F называют числом или постоянной Фарадея .

Объединяя оба закона, можно записать

                                                   (4)

Из формулы (4) следует, что если , т. е. если при электролизе     выделяется один килограмм–эквивалент вещества, то q численно равно F.   Следовательно, число Фарадея равно электрическому заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного
килограмм-эквивалента вещества.

Как показали опыты,

.

Количество атомов  в килограмм-эквиваленте вещества зависит от валентности элемента n и, очевидно, равно

, где N_А – число Авогадро.

Отсюда заряд одного иона равен

.

Наименьший заряд иона е соответствует заряду одновалентного иона
(n = 1), откуда

.                                                           (5)

Так как валентность элемента выражается целым числом n, то заряд q, переносимый любым ионом равен

                                                        (6)

Таким образом, законы Фарадея в совокупности с атомной теорией вещества приводят к представлению об атомном строении электричества. Каждый атом вещества может терять или присоединять к себе заряд кратный элементарному заряду е. Очевидно, этот элементарный заряд представляет собой заряд электрона. Выражение (6) – условие квантования заряда.

Выполнение работы

Задание 1. Определить электрохимический эквивалент вещества. Вычислить заряд иона меди

1. Измерьте массу m₁ сухого угольного электрода на весах с точностью не менее 10 мг.

2. Закрепите угольный электрод на крышке стакана с помощью стопорного винта.

3. Опустите электроды в емкость с водным раствором медного купороса. Ключ К – разомкнут.

4. Соберите цепь согласно схеме (рис. 1). Включите источник питания в сеть и установите напряжение на выходе источника ~ 6 В. Замкните ключ К.    Установите реостатом R ток I = 0,5 А. Пропускайте ток через электролит в течении 15 мин.

5. Отключите установку: отключите источник питания и разомкните ключ К.

6. Выньте электроды из емкости.

7. Снимите угольный электрод с крышки, и высушите над плиткой    (предварительно прополоскав его в сосуде с водой или под краном с холодной водой).

8. Измерьте массу m₂ угольного электрода вторично.

9. Найдите массу выделившейся меди m

m = m₂ – m₁

10. По формуле (2) вычислите k.

11. Вычислить число Фарадея F и заряд иона меди.

10. Полученные данные занести в табл. 1.

Таблица 1

Номер опыта	Наименование показателей
	I, А	t, с	m1, г	m2, г	m, кг	K,	F,	e, Кл
1

Контрольные вопросы

1. Объясните явление электролиза.

2. Сформулируйте и объясните законы Фарадея.

3. Будут ли заряды тела кратными е? Пояснить.

4. Почему дистиллированная вода является хорошим растворителем?

5. Раскройте физический смысл электрохимического эквивалента и числа Фарадея.

6. Что такое килограмм-эквивалент вещества?

7. Что такое степень или коэффициент диссоциации?

8. Характер диссоциации кислот, оснований и щелочей.

Библиографический список

1. Грабовский Р. И. Курс физики / Р. И. Грабовский. – М.: Высш. шк., 1984. – Гл. XIII. – С. 301–306 (Постоянный электрический ток. § 91. Ток в    жидкостях. Электролиз. Законы Фарадея).

2. Калашников С. Г. Электричество / С. Г. Калашников. – М.: Наука, 1985. – Гл. XXIII. – С. 400–403 (Электрический ток в электролитах. § 189. Законы электролиза Фарадея. §190. Электролитическая диссоциация).