Физика 10 класс Измерение заряда одно валентного иона. Разработка урока

Лабораторная работа №9. «Измерение заряда одно валентного иона».

Цель работы - определение числа Фарадея и заряда электрона.

Приборы и принадлежности: электролитическая ванна с раствором медного купороса, источник постоянного тока, секундомер.

Законы электролиза

Пусть заряд одного иона равен Ze, где е – элементарный заряд, Z – валентность иона, т.е. число электронов, отданных или приобретенных при диссоциации каждым атомом. Заряд, отдаваемый электроду  равен

q = n∙Z∙e,                                     (1)

где n –число ионов.

C другой стороны, масса М выделившегося на электроде вещества равна

М = n∙m,                                      (2)

где m – масса одного иона.

Из формул (1) и (2) находим

М=  ∙q.                                 (3)

Известно, что в одном моле ν любого вещества содержится одинаковое число атомов: N = N_A,

N_А = 6,023· 10 моль (число Авогадро).

Тогда масса иона (массами двух оторванных от атома электронов пренебрегаем) будет равен

            m=,                                              (4)

где μ - молярная масса

Подставим выражение (4) в (3), получим

М =                                     (5)

Величина

,                                         (6)

постоянная для каждого вещества, называется электрохимическим эквивалентом данного вещества. Таким образом, масса М выделившегося на электроде вещества пропорциональна величине заряда q, прошедшего через электролит (первый закон Фарадея).

Величина заряда q, прошедшего через электролит, равна произведению силы тока I на время t его прохождения: q = I·t.

Поэтому электрохимический эквивалент (с учетом (5) и (6)) может быть рассчитан по формуле

К = .                              (7)

Из формулы (6) находим

А=  .                                   (8)

Величина  называется химическим эквивалентом вещества.

Из уравнения (8) следует, что химический эквивалент веществ пропорционален его электрохимическому эквиваленту (второй закон Фарадея):

К = .                                    (9)

Постоянная величина F называется числом Фарадея.

Выражение (7) можно переписать в виде

М = q .                                 (10)

Для того чтобы на электроде выделилось количество вещества, численно равное А, через электролит надо пропустить заряд q = F.

Следовательно, число Фарадея F численно равно величине заряда, при прохождении которого через электролит на электроде выделяется масса вещества, численно равная А.

Из выражений (8), (9) следует, что

F = = N_Ae.                                        (11)

Заряд одновалентного иона равен заряду электрона по абсолютной величине. Поэтому заряд электрона может быть вычислен по формуле

е = .                                     (12)

Ход работы

1. Медный электрод, используемый в качестве катода, просушить на электроплитке в течение 10 минут и взвесить на лабораторных весах. Значение измеренной массы М₁ занести в таблицу 1.

2. Поместить в стеклянную ванну с электролитом медные электроды – катод и анод. К отрицательной клемме источника постоянного тока подключить катод, к положительной – анод

3. Включить источник питания, одновременно пустить секундомер, убедившись в работе источника питания в режиме стабилизации тока. Пропускать ток через электролит 30-40 минут.

4. Выключить источник питания и секундомер, катод просушить на электроплите в течение 10 минут и с помощью весов определить его массу М₂. Разность М₁–М₂ дает приращение массы катода М. Результаты измерений занести в таблицу.

5. По формулам (7), (11), (12) вычислить величины электрохимического эквивалента, числа Фарадея и заряда электрона. При расчетах следует принять, что для меди m =63,5×10^-3 кг/моль и в соединении медь двухвалентна – Z = 2.

Рис. 1

Результаты вычислений занести в таблицу.

Вопросыдлядопуска к работе

1. Что называется электрохимическим эквивалентом? Что называется химическим эквивалентом? Каков их физический смысл?

2. Определите цель работы.

3. Опишите рабочую установку и запишите рабочие формулы.

4. Оцените погрешность данного метода измерений числа Фарадея и заряда электрона.

Вопросы для защиты работы

1.   Какие проводники называются проводниками первого и второго рода?

2.   Сформулируйте законы электролиза.

3.   Какова связь между числом Фарадея, химическим и электрохимическим эквивалентом вещества и каков физический смысл числа Фарадея F?

4.   Можно ли определить электрохимический эквивалент, если через ванну пропустить переменный ток?

5.   После проведения опыта Вы обнаружили, что ошибочно изменена полярность электродов. Можно ли в этом случае определить электрохимический эквивалент?

6.   Каковы Ваши критические замечания по данной работе?