ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОХІМІЧНОГО ЕКВІВАЛЕНТА МІДІ І ВЕЛИЧИНИ ЕЛЕМЕНТАРНОГО ЗАРЯДУ
Мета роботи. Ознайомитися з методом визначення електрохімічного еквівалента речовини, визначити величину елементарного електричного заряду.
Прилади і приладдя: електролітична ванна, джерело постійного струму, амперметр, вимикач, сушильне обладнання, терези, наждачний папір, секундомір.
Література
1. Грабовский Р.И. Курс физики: Учеб. пособие для с.-х. ин-тов. – М., 1979. – 552 с.
2. Розумнюк В.Т., Якименко І.Л. Фізика. Основні поняття, явища і закони. – Біла Церква, 2004. – 71 с.
Теоретичні відомості
Електролітами називаються речовини, молекули яких в розчині чи в розплаві розпадаються на іони.
Нагадаємо, що іон – це атом або група атомів, що несуть нескомпенсований електричний заряд внаслідок від’єднання чи приєднання від (чи до) них зовнішніх орбітальних електронів. Наприклад, іон міді Cu2+має не скомпенсований заряд +2 внаслідок від’єднання від нейтрального атома міді двох електронів.
До електролітів належать солі, кислоти та луги. Молекули електроліту та розчинника (вода, спирт, ацетон) є дипольними – в одному кінці молекули знаходиться більше позитивних зарядів, а в другому – негативних. Тому кожну молекулу електроліту в розчині оточують молекули води так, що кожна частина молекули електроліту оточена протилежними за знаком кінцями молекул води (рис.10.1).
|
|
Рис. 10.1.
Сили взаємодії протилежних зарядів електроліту та води (розчинника) намагаються розірвати молекулу електроліту, в результаті чого більшість молекул електроліту розпадається на позитивні іони (аніони) та негативні іони (катіони). (рис. 10.2)
Електролітичною дисоціацією називається процес розпаду молекул на іони.
Рис. 10.2.
Прикладом електричної дисоціації є розпад молекул водного розчину мідного купоросу CuSO4 на позитивні іони Cu2+ та негативні іони , тобто відбувається реакція:
CuSO4 = Cu2+ + .
Якщо в такий розчин електроліту ввести два мідних електроди і приєднати їх до джерела постійного струму, то під впливом електричного поля іони почнуть рухатися. Позитивні іони будуть рухатися до негативного електрода, а негативні – до позитивного. Рух іонів приводить до утворення електричного струму в колі. Такі провідники називаються провідниками другого роду. Іони Cu2+, надходячи до катода, відбирають від нього два електрони і виділяються на катоді у вигляді нейтральних атомів. Іони – надходять до позитивного електрода, віддають йому свій заряд і, ставши нейтральними, реагують з анодом, утворюючи CuSO4, що надходить в розчин.
В результаті кількість речовини катода збільшується, а анода – зменшується, сама ж кількість електроліту в розчині не зменшується. Описане явище отримало назву електролізу.
|
|
Електролізом називається процес виділення речовини на електроді при проходженні через розчин електроліту електричного струму.
Електроліз використовується в техніці для одержання деяких матеріалів, а також в медицині для введення через шкіру ліків (електрофорез). Вивчаючи процеси електролізу Фарадей встановив наступні два закони:
Перший закон Фарадея: Маса речовини (m), яка виділяється на електроді, прямо пропорційна величині заряду (q), що пройшов через електроліт.
m = k · q (1)
деk – електрохімічний еквівалент речовини, який чисельно дорівнює масі речовини, що виділяється на електроді при проходженні через електроліт заряду рівного 1 кулону.
Оскільки:
q = I · t, то m = kIt. (2)
Звідси:
(3)
Електрохімічний еквівалент (k) є сталою і певною величиною для кожної речовини. Як випливає з формули (3), k вимірюється в кг/Кл.
Другий закон Фарадея: Електрохімічний еквівалент речовини пропорційний його хімічному еквіваленту.
, (4)
де А – атомна маса речовини; Z – валентність речовини; с – універсальна стала.
Відношення є хімічним еквівалентом речовини, який чисельно дорівнює масі даної речовини в кілограмах, що заміщує в хімічних сполуках 1,0078 кг водню. Число кілограмів речовини є кілограм-еквівалентом цієї речовини.
Дослідним шляхом Фарадей встановив, що для виділення на електроді одного хімічного еквівалента будь-якої речовини необхідно через розчин електроліту пропустити певний заряд (F).
Стала Фарадея F дорівнює заряду на кожний моль виділеної на електроді речовини при проходженні струму через електроліт.
F = 9,65 · 104 .
Таким чином, стала Фарадея дорівнює величині заряду, при проходженні якого через електроліт на електроді виділяється 1 кілограм-еквівалент речовини.
Рівняння (4) можемо записати так:
, . (5)
Підставивши значення k в рівняння (1), одержимо:
. (6)
Оскільки в 1 кілограм-еквіваленті речовини знаходиться NA = 6,02×1023 атомів (число Авогадро), які й переносять електричний заряд, то при одержанні 1 кілограм-еквівалента речовини нейтралізується кількість іонів, що дорівнює числу Авогадро.
Якщо при електролізі виділяється одновалентна речовина, то її хімічний еквівалент дорівнює кілограм-еквіваленту цієї речовини. Тому заряд одновалентного іона визначається за формулою:
. (7)
На рисунку зображена установка для виконання роботи. В її склад входять: електролітична ванна, амперметр, вимикач, реостат, блок живлення.
Рис. 10.3.