Как с помощью электролиза определить заряд электрона?

1 ответ на вопрос “Как с помощью электролиза определить заряд электрона?”

  1. Oghmarin Ответить

    Разделы:
    Физика
    В 8-м классе по физике мы узнаем, что ток бывает в различных средах. При
    изучении физики на базовом уровне мы к этой теме не возвращаемся. Изучению тока
    в жидкостях частично уделяется внимание на уроках химии в 9-м классе, поэтому
    тему “Ток в различных средах” изучаем на элективных курсах. В данном пособии
    мною представлен материал для теоретической и практической части одного из
    разделов элективного курса “Ток в жидкостях”. Теоретическую часть мы изучаем в
    виде лекций, часть материала ребята изучают самостоятельно, представляя
    результаты в реферативной форме и в виде презентаций. Темы творческих работ
    ребята выбирают сами или предлагаются: “Огни святого Эльма”, “Электролиз за
    работой”, “Б.С.Якоби”, “Загадки молнии” и т. д.
    Наиболее интересной считаю практическую часть раздела: “Ток в жидкостях”, мы
    ее выполняем и она вызывает интерес у детей.
    Электролиз – физическое и химическое явление. (Содержание лекции)
    1. Историческая справка
    Ещё в 1877 году шведский ученый Сванте Аррениус, изучая электропроводность
    растворов различных веществ, пришел к выводу, что её причиной являются ионы,
    которые образуются при растворении соли в воде. При растворении в воде молекула
    CuSO4 распадается (диссоциирует) на два разнозаряженных иона – Cu2+ и SO42- .
    С. Аррениус, который придерживался физической теории растворов, не учитывал
    взаимодействия электролита с водой и считал, что в растворах находятся свободные
    ионы. В отличие от него русские химики И. А. Каблуков и В. А. Кистяковский
    применили к объяснению электролитической диссоциации химическую теорию Д. И.
    Менделеева и доказали, что при растворении электролита происходит химическое
    взаимодействие растворённого вещества с водой, которое приводит к образованию
    гидратов, а затем они диссоциируют на ионы. Они считали, что в растворах
    находятся не свободные, не “голые” ионы, а гидратированные, то есть “одетые в
    шубку” из молекул воды.
    2. Суть явления
    “Электролиз – под таким названием объединяются физико-химические процессы,
    происходящие на электродах, когда через растворы или расплавы электролитов
    проходит электрический ток. Механизмы процессов, протекающих на положительном и
    отрицательном электродах, различны. На аноде идёт реакция электрохимического
    окисления, поскольку там ионы, атомы или молекулы отдают электроны. Напротив, на
    катоде к различным частицам присоединяются электроны, и те реакции, которые
    здесь происходят, – это реакции электрохимического восстановления.
    Электролиз подчиняется законам, которые были открыты английским учёным М.
    Фарадеем в 1833–1834 гг.”
    “Первый закон Фарадея гласит: количество вещества M, выделяющегося на
    электроде, прямо пропорционально электрическому заряду q, прошедшему
    через электролит: M = kq.
    Коэффициент пропорциональности k, численно равный массе вещества,
    выделившегося при прохождении через электролит единицы электрического заряда,
    называется электрохимическим эквивалентом вещества. При пропускании через
    электролит постоянного тока I в течение времени t с
    q = It и m =
    .
    Согласно второму закону, электрохимические эквиваленты прямо пропорциональны
    их химическим эквивалентам:
    , где отношение атомного веса
    A элемента к его
    валентности Z называется химическим эквивалентом. Количество вещества, масса
    которого, выраженная в граммах, равна его химическому эквиваленту, называется
    грамм-эквивалентом. Величина F = 1/с
    называется числом Фарадея. F равно электрическому
    заряду, который нужно пропустить через электролит для выделения на электроде 1
    грамма-эквивалента любого вещества:

    “Величина F равна произведению заряда электрона на число Авогадро.
    Электролиз – физико-химический процесс, отражающий тесную связь физических и
    химических явлений. Он находит весьма широкое практическое применение. С его
    помощью получают многие химические соединения, которые иным путём приготовить не
    удаётся, чистые металлы в виде порошков и т. д. Процесс электролиза используются
    для коррозионной защиты различных металлов.
    На практике электролиз проводят в специальных аппаратах – электролизерах. Их
    изготовляют из стали, керамических материалов, стекла, пластических масс.
    Электроды делают из различных металлов и сплавов. Иногда в ходе электролиза на
    аноде и катоде образуются такие вещества, взаимодействия которых надо избежать.
    С этой целью в электролизер вставляют пористую перегородку – диафрагму”.
    3. Применение электролиза
    Электролиз широко применяют в технике для различных целей. Электролитическим
    путём покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого (никелирование,
    хромирование, омеднение и т. п.). Это прочное покрытие защищает поверхность от
    коррозии.
    Если обеспечить хорошее отслаивание электролитического покрытия от
    поверхности, от которую осаждается металл (этого достигают, например, нанося на
    поверхность графит), то можно получить копию с рельефной поверхности.
    В полиграфической промышленности такие копии (стереотипы) получают с матриц
    (оттиск набора на пластичном материале), для чего осаждают на матрицах толстый
    слой железа или другого материала. Это позволяет воспроизвести набор в нужном
    количестве экземпляров. Если раньше тираж книги ограничивался числом оттисков,
    которые можно получить с одного набора (при печатании набор стирается), то
    сейчас использование стереотипов позволяет значительно увеличить тираж.
    Правда, в настоящее время с помощью электролиза получают стереотипы только
    для книг высококачественной печати.
    Процесс получения отслаиваемых покрытий – гальванопластика был разработан
    русским учённым Б. С. Якоби (1801–1874), который в 1836 г. применил этот способ
    для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора в Ленинграде. (Фото
    1,2,3,4)
    При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Так,
    полученную из руды неочищенную медь отливают в форме толстых листов, которые
    затем помещают в ванну в качестве анодов (рис. 5). При электролизе медь анода
    растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы выпадают на дно, а на
    катоде оседает чистая медь.
    При помощи электролиза получают алюминий из расплавов бокситов. Именно этот
    способ получения алюминия сделал его дешёвым и наряду с железом самым
    распространённым в технике и быту металлом.
    Исследования.
    Исследование № 1. Определение заряда электрона.
    (Приложение 1)
    Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом
    измерения 2 А., ключ, реостат, электролитическая ванна, угольные электроды,
    раствор сульфата меди (CuSO4), весы, разновесы.
    Цель: Определить заряд электрона, используя законы электролиза.
    Гипотеза: Заряд электрона должен получиться 1,6
    х 10-19 Кл.
    Условия: В опыте взята масса сульфата меди 50 г., воды 600 г., сила тока 1
    А., время 30 мин. Электроды после проведения опыта просушивались над
    электроплиткой.
    Исследование № 2. Определение заряда электрона при электролизе других солей
    .
    (Приложение 2)
    Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом
    измерения 2 А., ключ, реостат, электролитическая ванна, угольные электроды,
    раствор железа сернокислого закисного и алюминия сернокислого, весы, разновесы.
    Цель: Определить заряд электрона, используя законы электролиза.
    Гипотеза: Заряд электрона должен получиться 1,6
    х 10-19 Кл, при использовании других солей.
    Условия: В опыте взята масса каждой соли 50 г., воды 600 г., сила тока 1 А.,
    время 30 мин.
    Исследование № 3. Определение заряда электрона при изменении силы тока
    (Приложение 3)
    Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом
    измерения 2 А., ключ, реостат, электролитическая ванна, угольные электроды,
    раствор сульфата меди (CuSO4), весы, разновесы.
    Цель: Определить заряд электрона, используя законы электролиза.
    Гипотеза: Заряд электрона должен получиться 1,6
    х 10-19 Кл.
    Условия: В опыте взята масса сульфата меди 50 г., воды 600 г., сила тока 0,5
    А., время 30 мин.
    Исследование № 4. Определение заряда электрона при изменении концентрации раствора
    медного купороса.     (Приложение 4)
    Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом
    измерения 2 А., ключ, электролитическая ванна, угольные электроды, раствор
    сульфата меди (CuSO4), весы, разновесы.
    Цель: Определить заряд электрона, используя законы электролиза.
    Гипотеза: Заряд электрона должен получиться 1,6
    х 10-19 Кл.
    Условия: В опыте взята масса сульфата меди 100 г., воды 600 г., сила тока 1
    А., время 30 мин.
    Исследование № 5. Определение скорости движения отрицательных ионов при
    электролизе.     (Приложение 5)
    Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом
    измерения 2 А., ключ, пластины с проводящими контактами, полоска материала 10х2
    см.
    Цель: Определить скорость ионов.
    Исследование № 6. Определение скорости движения ионов при электролизе от
    концентрации солевого раствора.     (Приложение 6)
    Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом
    измерения 2 А., ключ, пластины с проводящими контактами, полоска материала 10х2
    см.
    Цель: Определить скорость ионов, при увеличении концентрации солевого
    раствора в 2раза.
    Исследование № 7. Определение скорости движения положительных ионов при
    электролизе.     (Приложение 7)
    Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом
    измерения 2 А., ключ, пластины с проводящими контактами, полоска материала 10х2
    см.
    Цель: Определить скорость положительных ионов при электролизе.
    Исследование № 8. Определение сопротивления раствора электролита при
    электролизе сульфата меди.     (Приложение 8)
    Рекомендации.
    Ученики выполняют лабораторные работы в форме мини-проектов
    исследовательского характера. На итоговом занятии по данному разделу темы мы
    подводим общий итог.
    Мы собрали и систематизировали материал по данной теме, сделали исследования
    и делаем вывод:
    Используя законы электролиза можно определить
    Заряд электрона.
    Сопротивление раствора электролита.
    Также изучая электролиз можно определить скорость ионов при электролизе.
    Определяя заряд электрона, мы убедились, что заряд электрона не изменяется:
    при увеличении концентрации солевого раствора,
    при изменении силы тока,
    при использовании другой соли
    .
    Полученная нами величина примерно равна е =
    1,6 х 10-19Кл, что совпадает с табличным значением.
    Также мы определили скорость ионов при электролизе и убедились, что она может
    меняться при изменении концентрации солевого раствора, у нас она равна от 0,5 до
    0,75 мм/мин в зависимости от концентрации раствора.
    В дальнейшем мы планируем установить зависимости скорости ионов от
    температуры и от напряжения.
    Сопротивление электролита определили двумя способами и сравнили, получили
    приближённо одинаковый результат.
    Результаты данных исследований могут быть представлены в виде задач. Данный
    материал выходит за рамки школьного курса, его мы представляли на
    научно-практической конференции.
    Информационные ресурсы.
    Энциклопедический словарь юного физика, В.А. Чуянов. – М.: Педагогика,
    2000 г. Стр. 321–322.
    Справочник по физике. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. – М.: Изд-во
    “Наука”, 1994. Стр. 368–369.
    http://www.physbook.ru/index.php
    http://www.wikipedia.org
    http://www.photosight.ru
    http://bibl.tikva.ru
    29.03.2013

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *