Контрольные вопросы:
Как по графику Pн =f(U) определить внутреннее сопротивление источника тока?
Что такое ЭДС источника тока?
Какие режимы работы могут быть у источника тока? От чего зависит режим работы источника тока?
Выведите формулу (10)
Лабораторная работа №13 определение числа фарадея и заряда электрона
Цель работы: ознакомиться с явлением прохождения тока через электролиты; определить число Фарадея и заряд электрона, используя явление электролиза.
Приборы и принадлежности: выпрямитель ВС-24. амперметр, электролитическая с раствором CuSO4, ключ, весы технические с разновесом, секундомер, стакан с водой, наждачная бумага, проводники, электропечь.
Введение
Известно, что для прохождения тока через вещество необходимо выполнение двух условий:
1) наличие в этом веществе носителей тока — свободных электрических зарядов;
2) наличие электрического поля, которое заставит свободные заряды двигаться направленно,
В проводниках-металлах ток создается направленным движением электронов. В водных растворах кислот, солей, щелочей молекулы диссоциируют. При этом в равном количестве появляются положительные и отрицательные ионы. Если в таком растворе-электролите создать электрическое поле, то направленное движение ионов образует электрический ток. Электролиты обладают ионной проводимостью. Расплавы солей, щелочей также являются электролитами.
Для создания электрического поля в электролит погружаются электроды, подключенные к источнику тока. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду — катоду, отрицательные — к положительному — аноду. Отдавая свой заряд электродам, ионы оседают на них, если не происходят химические реакции у поверхности электродов. В результате происходит выделение вещества из раствора или расплава электролита на электродах. Такое явление называется электролизом. Его законы установлены Фарадеем.
1 З А К О Н: Масса m вещества, выделившегося на из электролита, пропорциональна прошедшему через электролит количеству электричества q (заряду):
m = kq (0)
Так как заряд равен произведению силы тока на время прохождения заряда через электролит (q = It), то
m = kIt (0)
где коэффициент пропорциональности k — электрохимический эквивалент.
Из (1) имеем, что k = m / q, т.е. он числено равен массе вещества, выделившейся при прохождении через электролит заряда, равного одному кулону.
2 З А К О Н: Электрохимический эквивалент пропорционален химическому эквиваленту:
k = C ( A / Z) (0)
где A / Z - химический эквивалент, А - атомная масса вещества, Z - его валентность.
Коэффициент С = 1 / F, где F число Фарадея.
Тогда k = (1 / F ) • (A / Z) (0)
Оба закона можно объединить. Подставляя (4) в (1), получим:
m = (1 / F) • (A / Z)• q. (0)
Из объединенного закона Фарадея следует, что если m = A / Z кг, то F = q,
т.е. число Фарадея равно заряду, который должен пройти через электролит, чтобы из него выделился один моль одновалентного вещества.
Пусть заряд одного иона равен Z ∙ e, где е — заряд электрона. Тогда заряд, создаваемый n ионами будет равен
q = nZe (0)
Масса, выделившегося на электроде вещества:
m = nm0 (0)
где m0 — масса одного иона.
Так как в одном моле вещества содержится молекул, равное числу Авогадро
(NА = 6,023• 1023 моль-1), то
m0 = А / NА (0)
Из равенств (7) и (8) получаем:
m = (A / NА ) n (0)
Подставляя (6) и (9) в (5) получаем:
(A / NА ) n = (1 / F) • (A / Z)• nZe,
откуда для заряда электрона получаем выражение:
е = F / NА (0)
Из формулы (4)
F = A / Zk (0)
Лабораторная установка собирается по схеме, приведенной на рисунке 6.1.
Рисунок 1
В качестве источника тока 1 используется выпрямитель ВС-24, позволяющий получать ток до 10 А при напряжении до 30 В. Напряжение регулируется ручкой на лицевой панели выпрямителя. Электролитической ванной 2 является сосуд в котором находится электролит - раствор CuSO4 (медный купорос). Электродами служат медные пластины 3. При прохождении тока ионы меди выделяются на катоде и его масса увеличивается. Химические процессы у анода приводят к его растворению, т.е. к переходу атомов меди с анода в электролит. Масса анода уменьшается.