Лабораторные / (№2-13)
.pdf11
Постоянная Фарадея F = еNA, где NA – число Авогадро. Тогда число Авогадро NA =
F/е.
Перед началом измерений необходимо заполнить таблицу 13.1.
Таблица 13.1. Технические данные приборов.
|
|
|
|
|
|
Абсолют- |
|
№№ |
|
Пределы |
Число |
Цена |
Класс |
ная |
|
Название прибора |
приборная |
||||||
п/п |
измерений |
делений |
деления |
точности |
|||
|
погреш- |
||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
ность |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Универсальный |
|
|
|
|
0,01 А |
|
источник питания |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Цифровой мультиметр |
|
|
|
|
0,01 А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
Секундомер, цифровой |
|
|
|
|
1 сек |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
Барометр/Манометр |
|
|
|
|
5х103 Па |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
Цифровой термометр |
|
|
|
|
0,1оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Порядок выполнения работы
При выполнении работы необходимо строго соблюдать правила техники безопасности и охраны труда, установленные на рабочем месте студента в лаборатории.
К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством и принципом действия.
Внимание. При смешении с воздухом водород образует взрывоопасную смесь,
называемую «гремучим газом». Поэтому водород следует выпускать медленно и маленькими порциями. Рядом не должно быть открытого огня.
1. Через воронку на среднем сосуде при открытых кранах Кр1 и Кр2 заполняют
2% раствором карбоната натрия в дистиллированной воде трубки аппарата Гофманна до полного вытеснения из них воздуха.
2.Собирают цепь по схеме рис. 13.2.
3.Замыкают ключ К, устанавливают реостатом ток I = 50 ма, и через некоторое время, когда электролиз насытится выделяющимися газами, пузырьки которого начнут
12
выходить в окружающий воздух, закрывают краны Кр1 и Кр2 и отмечают время начала
измерения.
4.С помощью реостата поддерживают ток постоянным в течение 300 с, затем отмечают время и размыкают ключ K.
5.Дают остыть раствору до комнатной температуры Т, К.
6.Определяют давление водорода РН2 . Атмосферное давление Рат. измеряют
барометром, Измерив разность уровней электролита h рассчитывают давление PH =
ρgh, где g = 9,8 м/с2 – ускорение свободного падения, ρ – плотность электролита (в
нашем случае при 3% растворе Na2CO3 она равна ρ = 1,03х103 кг/м3). Давление
насыщенных паров воды Pпар.вод. = aPt, где а – эмпирический коэффициент, зависящий
от концентрации электролита и равный в данном эксперименте a = 0,9, Pt – давление
насыщенного водяного пара при комнатной температуре, определяемый в данном опыте по таблице 13.2. Таким образом парциальное давление водорода определяется соотношением:
PH2 = Pат + ρgh − aPt |
(13.12) |
Таблица 13.2. Давление насыщенного пара при температуре в диапазоне 16 – 23 0С
t, 0C |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pt, КПа |
1,82 |
1,94 |
2,06 |
2,20 |
2,34 |
2,49 |
2,64 |
2,81 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7.Объем выделившегося водорода V определяют по делениям на крайних сосудах аппарата Гофмана.
8.Измеренные и вычисленные величины заносят в таблицу 13.3а для определения зависимости объема Н2 от протекшего через раствор заряда и 13.3б для определения зависимости объема О2 от протекшего через раствор заряда. Опыт проводят при фиксированном токе. Через каждые 300 с определяется объем газа.
13
Таблица 13.3а. Измеренные и вычисленные величины для определения зависимости
объема Н2 от протекшего через раствор заряда
№ |
I, (A) |
t, (сек) |
T, (0K) |
V, (м3) |
Pат., |
h, (м) |
Ph, (кПа) |
Pt, |
P |
п/п |
|
|
|
|
(МПа) |
|
|
(кПа) |
H2 |
|
|
|
|
|
|
(кПа) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 13.3б. Измеренные и вычисленные величины для определения зависимости объема О2 от протекшего через раствор заряда
№ |
|
I, (A) |
t, (сек) |
T, (0K) |
V, (м3) |
Pат., |
h, (м) |
Ph, (кПа) |
Pt, |
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
п/п |
|
|
|
|
|
(МПа) |
|
|
(кПа) |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
(кПа |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обработка результатов эксперимента |
|
|
|
|
|||||
Определение постоянной Фарадея.
По данным таблиц 13.3а и 13.3б строится график зависимости объема выделенного газа в зависимости от затраченного количества электричества. (Пример приведен на рис. 13.3)
Рис 13.3. График зависимости между прошедшим зарядом и полученным в результате этого объемов водорода и кислорода при электролизе растворенной серной кислоты (T = 296.050 K и p = 100.4 kPa)
Из графика находится отношение V/ q. Константу F находят по формуле (13.4)
Рассчитывают погрешность измерения по формуле:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
|
I 2 |
|
T 2 |
|
t 2 |
|
V 2 |
|
|
P |
2 |
|
|
ε = |
|
= |
|
|
+ |
|
+ |
|
+ |
|
+ |
|
|
H2 (O2 ) |
|
(13.13) |
|
|
|
||||||||||||||
|
F |
|
|
I |
|
T |
t |
|
|
V |
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H2 (O2 ) |
|
|
|
Записывают окончательный результат F = F± ± |
F, сравнивают его со значением |
|||||||||||||||
константы Фарадея.
Определение величины элементарного электрического заряда.
Полученные экспериментальные данные заносятся в таблицы 13.4а и 13.4б.
Таблица 13.4а. Измеренные и вычисленные величины для определения зависимости объема Н2 от протекшего через раствор заряда
№ |
I, (A) |
t, (сек) |
T, (0K) |
V, (м3) |
Pат., |
h, (м) |
Ph, (кПа) |
Pt, |
P |
п/п |
|
|
|
|
(МПа) |
|
|
(кПа) |
H2 |
|
|
|
|
|
|
(кПа |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 13.4б. Измеренные и вычисленные величины для определения зависимости объема О2 от протекшего через раствор заряда
№ |
I, (A) |
t, (сек) |
T, (0K) |
V, (м3) |
Pат., |
h, (м) |
Ph, (кПа) |
Pt, |
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
п/п |
|
|
|
|
(МПа) |
|
|
(кПа) |
2 |
|
|
|
|
|
|
(кПа |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Значение элементарного электрического заряда определяется по формулы
(13.10) при измерении объема водорода, и по формулы (13.11) при измерении объема кислорода.
Рассчитывают погрешность измерения по формуле:
|
е |
|
|
I 2 |
|
T 2 |
|
t 2 |
|
V 2 |
|
P |
2 |
(O2 ) |
2 |
|
ε = |
|
= |
|
|
+ |
|
+ |
|
+ |
|
+ |
H |
|
(13.14) |
||
|
|
|
|
|||||||||||||
|
е |
|
|
I |
|
T |
t |
|
|
V |
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H 2 |
(O2 ) |
|
||
Записывают окончательный результат в виде е = е ± Δе, сравнивают его со
значением элементарного заряда и делают вывод.
Определение числа Авогадро.
15
Число Авогадро находится из соотношения NA = F/е. Относительная погрешность
ε = |
N |
|
= |
|
F 2 |
|
q |
2 |
|
A |
|
|
+ |
|
(13.15) |
||
|
N A |
|
F |
|
|
|
||
|
|
|
q |
|
||||
Записывают окончательный |
результат |
NA = NA ± NA, сравнивают его со |
||||||
значением числа Авогадро.
Библиографический список
а) основной
1. Савельев И.В. Курс физики. T.2. М.: Астрель, 2001 – стр. 257-258; 292-304.
б) дополнительный
2. Капуткин Д.Е. Шустиков А.Г. Физика. Обработка результатов измерений при выполнении лабораторных работ: Учеб. Пособие М.: МИСиС. 2007. 108 с.
3. УМКД. Физика. Конспект лекций. Часть II. Электричество и магнетизм.
Лекция 7.
Контрольные вопросы
1.Какова величина элементарного электрического заряда?
2.В чем заключается явление электрической диссоциации?
3.Как формулируется обобщенный закон Фарадея?
4.Какой заряд несет ион водорода?
5.У какого электрода выделившийся объем газа будет больше? Во сколько раз?
6.Чему равна константа Фарадея?
7.Что влияет на величину электропроводности электролитов?
Индивидуальные задания
Задание 1.
1.Провести экспериментальное исследование зависимости объема выделенного на катоде газа и затраченного на это количества электричества.
2.Определить из экспериментальных результатов постоянную Фарадея.
16
3. Определить из полученной экспериментально величины постоянной Фарадея и
значения элементарного электрического заряда число Авогадро.
Задание 2.
1.Провести экспериментальное исследование зависимости объема выделенного на аноде газа и затраченного на это количества электричества.
2.Определить из экспериментальных результатов постоянную Фарадея.
3.Определить из полученной экспериментально величины постоянной Фарадея и значения элементарного электрического заряда число Авогадро.
Задание 3.
1.Провести экспериментальное исследование зависимости объема выделенного на катоде газа и затраченного на это количества электричества.
2.Определить из экспериментальных результатов величину элементарного электрического заряда.
3.Определить из полученного экспериментально значения элементарного электрического заряда и постоянной Фарадея число Авогадро.
Задание 4.
1.Провести экспериментальное исследование зависимости объема выделенного на аноде газа и затраченного на это количества электричества.
2.Определить из экспериментальных результатов величину элементарного электрического заряда.
3.Определить из полученного экспериментально значения элементарного электрического заряда и постоянной Фарадея число Авогадро.