Используемое оборудование

Основным узлом установки является двухэлектродная электрохимическая ячейка, состоящая из двух сосудов, в которых находятся свинцовые электроды. Сосуды соединены узкой резиновой трубкой, предотвращающей перемешивание растворов и затрудняющей диффузию ионов из одного сосуда в другой. Вследствие значительного электрического сопротивления раствора в трубке она сильно нагревается электрическим током.

Для измерения количества электричества предназначена другая часть установки – медный кулонометр, являющийся электрохимической ячейкой, образованной двумя медными электродами, опущенными в раствор медного купороса. По увеличению массы катода за счёт выделившейся на нём меди рассчитывается количество прошедшего электричества.

В состав установки входит также источник тока с регулируемым выходным напряжением и миллиамперметр для контроля величины тока в цепи при электролизе.

Выполнение работы

Приготовить 250 мл раствора серной кислоты (концентрация задаётся преподавателем), исходя из имеющегося раствора. Рассчитать навеску щёлочи, необходимую для приготовления 200 мл раствора с концентрацией в полтора раза меньше, чем концентрация серной кислоты. Взвесить навеску на аналитических весах, не добиваясь полного совпадения с расчётом. В дальнейшем точную концентрацию рассчитать по массе навески.

Зачистить мелкой наждачной бумагой медную пластинку – катод кулонометра, обезжирить поверхность катода и взвесить на аналитических весах. Закрепить катод в крышке кулонометра. В стакан кулонометра залить раствор, содержащий на 100 мл воды 15 г CuSO₄·5H₂O и 0,5 г сахарозы. Сахароза предотвращает образование в растворе ионов Cu⁺, уменьшающий выход по току катодной полуреакции в кулонометре.

Заполнить приготовленным раствором серной кислоты ячейку, предварительно сполоснув её этим раствором. Уровень последнего при погруженных электродах должен быть чуть выше боковых отростков сосудов ячейки. При этом необходимо заполнить раствором соединительный резиновый шланг ячейки, для чего сжать его несколько раз пальцами до прекращения выделения пузырьков воздуха.

Анод ячейки соединить с катодом кулонометра, а анод последнего – с клеммой (–) миллиамперметра¹. Катод ячейки подключить в клемме (–) выключенного источника тока, а клеммы (+) миллиамперметра и источника тока соединить между собой. После проверки правильности соединений преподавателем или лаборантом можно приступить к электролизу. Повернуть регулятор выходного напряжения источника тока против часовой стрелки до упора. Включив в розетку силовой кабель источника тока, перевести выключатель сети последнего в положение «Вкл».

Внимание! Начиная с этого момента и до выключения источника тока, не прикасаться руками к клеммам и кранам ячейки, так как напряжение в системе может достигать 200 В. Если возникнет необходимость поправить места соединений в электрической цепи, следует предварительно обесточить последнюю.

Вращая регулятор выходного напряжения источника тока по часовой стрелке, установить заданную преподавателем величину тока в цепи. При прохождении тока через раствор последний в резиновой трубке вследствие большого сопротивления будет нагреваться и его сопротивление уменьшится. Поэтому ток в цепи с течением времени возрастает и необходимо периодически корректировать его величину. Часть пузырьков водорода и кислорода, выделяющихся на электродах, попадает в боковые отростки сосудов ячейки и в соединительную трубку. Образующийся в ней газовый пузырёк может разорвать цепь и стрелка миллиамперметра начнёт двигаться беспорядочно. В таком случае следует несколько раз сжать соединительную резиновую трубку, как это делалось при заполнении ячейки.

Пока идёт электролиз, приготовленным раствором щёлочи трижды титруются объёмы по 10 мл исходного раствора кислоты и находится среднее арифметическое значение объёма. На технических весах взвесить сухую коническую колбу, в которую затем будет слит католит.

По окончании времени электролиза, заданного преподавателем, выключить источник тока и пережать винтовым зажимом резиновую трубку ячейки. Во взвешенную колбу слить католит и взвесить колбу с раствором.

Извлечь катод кулонометра¹, промыть его водой и поместить в сушильный шкаф при температуре 90 – 100 °С так, чтобы катод не касался полки шкафа той частью поверхности, где образовался осадок меди. Пока катод сушится, оттитровать три пробы по 10 мл взвешенного католита.

Извлечь катод из сушильного шкафа, охладить до комнатной температуры и взвесить на аналитических весах. Снова поместить катод в сушильный шкаф, через 3 минуты извлечь и после охлаждения взвесить. Если результаты взвешиваний разные, повторять сушку и взвешивание до постоянства массы катода. Ослабить винтовой зажим на ячейке и слить анолит. Привести в порядок рабочее место и сдать его лаборанту.

Число переноса t_- сульфат-аниона рассчитывается по уравнению

, (3.15)

где 31,77 – моль-эквивалент меди, V₁ и V₂ – объемы щелочи, необходимые для титрования кислоты объёма V (объём пипетки) соответственно до и после электролиза, m – увеличение массы катода кулонометра.

Число переноса катионов водорода t₊ найти по уравнению

t₊ = 1 – t_- . (3.16)

Результаты измерений и вычислений свести в таблицу.

Кулонометрические измерения				Титрование кислоты, мл		Определение массы стакана			Числа переноса
Масса катода		m,г	Q, Кл	до опыта	после опыта	пус­того	с кислотой	VK, мл	t-	t+
до опыта	после опыта