Міністерство аграрної політики України Аграрний технікум ПДАА

Ф І З И К А

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

ДО ПРОВЕДЕННЯ ЗАНЯТЬ З ТЕМИ

ldquo Е Л Е К Т Р И Ч НИ Й С Т Р У М В Е Л Е К Т Р О Л І Т А Х rdquo

Зі спеціальностей

Полтава 2004 36

5130107 Агрономія 5130204 Бджільництво 5070906 Землевпорядкування 5050111 Бух Облік 5050104 Фінанси 5050202 Організація вир-ва

35

Міністерство аграрної політики України Аграрний технікум ПДАА

ФІ ЗИКА

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

ДО ПРОВЕДЕННЯ ЗАНЯТЬ З ТЕМИ

ldquoЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ В ЕЛЕКТРОЛ ІТАХ rdquo

Зі спеціальностей

5130107 Агрономія 5130204 Бджільництво 5070906 Землевпорядкування 5050111 Бух Облік 5050104 Фінанси 5050202 Організація вир-ва

Полтава 2004

34

Укладач викладач фізики Аграрного технікуму ПДАА

Яворенко Олена Євгеніївна Рецензент

Розглянуто і схвалено на засіданні циклової комісії природничо- математичних дисциплін Протокол ___від___________ Голова комісії________________

33

ПО Я СНЮВА Л Ь Н А З А П ИС КА

У курсі фізики для вищих навчальних закладів I і II рівня

акредитації та середніх шкіл важливе місце займає розділ

ldquoЕлектрикаrdquo Для формування уявлень студентів про єдність та

цілісність матерії взаємозвrsquoязок між природними явищами

вивчення електричного стуму його природи в різних середовищах

суті явищ що супроводжують проходження струму в цих

середовищах є необхідним

Тема ldquoЕлектричний струм в електролітахrdquo розрахована на 4

години з них дві години доцільно відвести на лекцію а інші дві

години ndash на лабораторно-практичну роботу Лекція містить досить

цікаві факти з історії життя відкривачів законів електролізу та

способів його застосування Під час проведення досліду студенти

мають змогу закріпити отримані на лекції знання при розвrsquoязуванні

задач Вона дає можливість закріпити отримані знання про

електролітичну дисоціацію електроліз його види та практичне

застосування встановивши з хімією тісні міжпредметні звrsquoязки

5 32

Л Е К Ц І Я

Тема Електричний струм в електролітах Мета Пригадати поняття електролітів електролітичної

дисоціації сформувати уяву про фізичну природу електричного струму в електролітах вивчити закони електролізу Фарадея ознайомити студентів з технічним застосуванням електролізу

Виховна мета Продовжувати формувати у студентів поняття про єдність матерії

Мотивація Вивчення струму в електролітах привело англійського фізика Деві до відкриття ряду нових хімічних елементів натрію калію кальцію Застосувавши електроліз води і основ Деві вперше показав що вода і основи не є простими речовинами як їх вважали на той час Зараз шляхом електролізу отримують алюміній хімічно чисті метали здійснюють нікелювання хромування позолочення та інші хімічні процеси

Технічні засоби навчання кодоскоп екран амперметр демонстраційний батарейка ключ реостат електролітичні ванни із CuSO4 і дистильованою водою плакати із формулами папка з малюнками 35 портрети вчених

Демонстрації проходження електричного струму через дистильовану воду через розчин мідного купоросу при мідних електродах електроліз мідного купоросу при вугільних електродах

П л а н л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація 2 Електричний струм в електролітах 3 Опір електролітів 4 Явище електролізу 5 Закони Фарадея 6 Визначення заряду одновалентного іона 7 Застосування електролізу

6 31

З м і с т л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація

Що ж таке електроліти Розчини солей кислот лугів та розплави солей які добре проводять електричний струм називаються електролітами Дистильована вода солі концентровані кислоти та луги є діелектриками

Демонстрація 1 Складемо електричне коло з джерела

струму демонстраційного амперметра реостата вимикача і електролітичної ванни з дистильованою водою Замкнувши коло побачимо що струм у колі відсутній (див малюнок 1)

Демонстрація 2 Складаємо аналогічне коло в якому

електролітичну ванну з дистильованою водою замінюємо на електролітичну ванну з розчином мідного купоросу (CuSO4) Замкнувши електричне коло бачимо що струм у колі є (стрілка амперметра відхиляється)

Що ж відбувається з солями кислотами та лугами якщо їх

розчинити наприклад у воді (вона є найпоширенішим розчинником)

Молекули цих речовин складаються з двох частин що мають однакові за величиною та різні за знаками заряди тобто з двох іонів Сили притягання між цими іонами забезпечують цілісність молекули

Молекули води є диполями навколо яких існує сильне електричне поле Під час розчинення наприклад солі NaCl у воді навколо кожного з іонів (Na+ і Cl-) розміщуються полярні молекули розчинника (води) причому до позитивного іона молекули солі притягуються негативні полюси молекул ndash диполів води відштовхуючи при цьому позитивний іон молекули солі Такий процес обліплювання іонів молекул солі молекулами води послаблює звrsquoязки між іонами молекул солі (сили взаємодії між іонами зменшуються згідно закону Кулона в ε раз ε ndash діелектрична проникність розчинника для води ε = 81) (див малюнок 2)

Цей звrsquoязок між іонами молекули солі може ослабнути

7 30

настільки що енергії теплових співударів буде достатньо щоб відокремити іони один від одного Отже у процесі взаємодії молекул солей кислот та лугів з молекулами розчинника утворюють позитивно заряджені іони ndash катіони і негативно заряджені іони ndash аніони

Процес розпаду молекул розчиненої речовини на іони обох знаків під дією розчинника називається електролітичною дисоціацією

Одночасно з дисоціацією внаслідок співударів відбувається і зворотній процес сполучення різнойменно заряджених іонів у нейтральні молекули Цей процес називають молізацією (рекомбінацією)

Кількісною характеристикою електролітичної дисоціації є ступінь дисоціації α―це число яке показує яка частина молекул розчиненої речовини розпалася на іони

Отже згідно теорії електролітичної дисоціації в розчинах солей кислот та лугів та розплавах солей завжди є вільні іони обох знаків

2 Електричний струм в електролітах

Якщо електроліт не внесено в зовнішнє електричне поле то

іони і молекули будуть рухатися хаотично Якщо ж в електроліті створити електричне поле приклавши напругу до електродів вміщених у електроліт то крім хаотичного теплового руху молекул в електроліті зrsquoявляється напрямлений рух іонів Іони ldquo+rdquo (катіони) рухаються до катода а іони ldquondashldquo― до анода Дійшовши до відповідних електродів іони віддають їм свої заряди і ставши звичайними молекулами чи атомами виділяються на електродах або вступають у хімічні реакції

(Аналіз схеми руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 за малюнком 3)

Проаналізуємо схему руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 При проходженні струму через розчин мідного купоросу відбувається слідуючий процес Позитивні іони Cu2+ при зіткненні з катодом отримують електрони яких їм не вистачає і виділяються на катоді у вигляді нейтральних атомів Негативні іони SO4

2 ndash при зіткненні з анодом віддають зайві електрони Електрони що

8 29

зrsquoявились на аноді по зовнішньому колу переходять на катод і там зrsquoєднуються з позитивними іонами

Отже напрямлений рух іонів обох знаків у електролітах називають електричним струмом в електролітах

Напрямлений рух іонів в електричному полі ви спостерігали на досліді на уроках хімії Нагадаємо цей дослід Змочений розчином якогось безбарвного електроліту наприклад глауберової солі Na2SO4 кухонної солі NaCl тощо фільтрувальний папір кладуть на скло Якщо накидати CuCl2 або K2CrO4 то шматочки розчинятимуться і навколо кожного утворюється забарвлена кругла пляма Але якщо перед тим як кидати шматочки солі опустити на папір два електроди і приєднати їх до джерела постійної напруги то замість круглої плями від кожного шматочка потягнеться кольоровий язичок у напрямі катода тоді коли кольоровими є позитивні іони солі або ж у напрямі анода якщо забарвлення розчину надають негативні іони Цей дослід дає змогу не лише спостерігати рух іонів а й оцінити порядок швидкості напрямленого переміщення іонів

3 Опір електролітів

Електропровідність електролітів є іонною Досліди

показують що електропровідність електролітів зростає з підвищенням температури

Як і в металах в електролітах носії заряду утворюються незалежно від електричного струму Заряд позитивних іонів рівний заряду негативних іонів у кожному обrsquoємі електроліту а тому обrsquoємний заряд електроліту як і металу рівний нулю

Поняття електропровідності повrsquoязано з поняттям опору Опір електролітів так як і металів залежить від лінійних

розмірів і роду електроліту тобто S

R lρ= де l ndash віддаль між

електродами а S ndash площа електродів що занурена в електроліт (Пропонуємо студентам розвrsquoязати задачу умова якої подана на екран через кодоскоп)

9 28

З а д а ч а Визначити опір електролітичної ванни яка заповнена 10-

розчином мідного купоросу якщо площа зануреної частини кожного електроду рівна 20 см2 і вони знаходяться один від одного на відстані 5 см ( ρ = 0315 Омmiddotм)

Відповідь R = 79 Ом При підвищенні температури опір електролітів зменшується

на відміну від металів Це відбувається тому що 1) при зростанні температури зростає ступінь дисоціації α 2) при зростанні температури зростає рухливість іонів

4 Явище електролізу Проходження струму через електроліт супроводжується

явищем електролізу Це виділення на електродах речовин що входять до складу електроліту при проходженні струму через електроліт

Нехай наприклад в електролітичну ванну налили електролітndashрозчин сірчаної кислоти у воді Молекули сірчаної кислоти при розчиненні майже повністю дисоціюють H2SO4rarr2H++SO4

2ndash При проходженні електричного струму через розчин на катоді

виділяється атомарний водень на аноді ndash молекули SO4 Це результати електролізу Далі починаються вторинні реакції під час електролізу атомарний водень сполучається в молекули 2НrarrН2uarr Нестійкі молекули SO4 розпадаються SO4rarr SO3+О Атоми кисню зrsquoєднуються в молекули2ОrarrО2uarr Молекули SO3 взаємодіють з водоюа утворені молекули сірчаної кислоти дисоціюють

SO3+Н2Оrarr H2SO4rarr2H++SO42ndash

В результаті вторинних реакцій відновлюється концентрація іонів в розчині виділяються на електродах гази водню і кисню в пропорціях в яких ці елементи входять до склад води Фактично відбувається процес розпаду води на водень та кисень

Явище електролізу характеризує хімічну дію струму Це явище може бути з виділенням речовини на обох

електродах або із розчиненням анода У наведеному вище прикладі речовина виділяється на обох

електродах Виділення речовини на обох електродах відбувається

10 27

при неактивному аноді який не розчиняється в електроліті У нашому прикладі пластини не реагують з електролітом У техніці для такого електролізу найчастіше користуються вугільними або графітовими електродами

Демонстрація 3 В скляну електролітичну ванну наливаємо

20 ndash 30 розчин CuSO4 і занурюємо в нього два вугільних електроди Складаємо коло з джерела струму на 220 В вимикача скляної електролітичної ванни в яку опущені два вугільні електроди та електролампи потужністю 40 ndash 60 Вт Пропускаючи струм протягом 2 ndash3 хвилин виймаємо з ванни катод на якому за цей час відкладається шар міді який гарно видно навіть у великій аудиторії Після цього занурюємо електрод назад у ванну і змінюємо напрям струму на протилежний Через декілька хвилин шар міді на електроді який тепер служить анодом розчиниться електрод знову стане чорним а на другому електроді який тепер став катодом відложиться шар міді

Вище було сказано що речовина під час електролізу не завжди виділяється на обох електродах Якщо в електролітичну ванну налити розчин солі тієї речовини з якої виготовлено анод то речовина виділяється лише на катоді а анод розчиняється У цьому разі анод називають активним бо він реагує з електролітом Як приклад такого електролізу розглянемо очищення срібла від сторонніх домішок яке називають рафінуванням

У ванну з розчином азотнокислого срібла опускають срібні електроди і зrsquoєднують їх з батареєю Катодом є тонка срібна пластина анодом ndash товста пластина з срібла що має домішки Під час електролізу срібло переноситься з анода на катод а домішки осідають на дно ванни Зrsquoясуємо це явище

Молекули азотнокислого срібла дисоціюють rarr AgNO3 larr Ag++NO3ˉ

Під час електролізу іони срібла прямують до катода і одержують від нього електрон а нейтральні атоми срібла осідають на катоді тобто маса катода зростає До анода прямують іони NO3ˉ де сполучаються з одним з іонів срібла які перейшли з анода в розчин Отже маса анода під час електролізу поступово зменшується а концентрація розчину у ванні не змінюється доти

11 26

доки анод не розчиниться повністю Явище електролізу було вперше відкрито в 1800 році

Але лише в 1833 році М Фарадей установив закони електролізу

5 Закони Фарадея

Історична довідка (див малюнок 4) Майкл Фарадей (22091791 ndash 25081867) народився в сімrsquoї коваля Навчався в початковій школі потім в 14 років потрапив на навчання до хазяїна книжної лавки і майстерні де переплітали книги Займався самоосвітою відвідував публічні лекції а саме лекції Г Дєві в Королівському інституті Лондона який зіграв велику роль в рішенні Фарадея присвятити себе науці В 1813 році й2ого прийняли на роботу в Королівський інститут де він працював під керівництвом Дєві В 1813 ndash 1815 роках подорожуючи разом з Дєві по Європі Фарадей відвідав лабораторії Франції та Італії Спочатку Майкл допомагав Дєві в хімічних експериментах потім почав самостійні дослідження з хімії Самі найважливіші з них ndash отримання бензолу зрідження хлору Ставши відомим у наукових колах в 1825 році Фарадей стає директором лабораторії в 1827 ndash професором Королівського інституту

Ознайомившись з роботою Х Ерстеда про відхилення магнітних стрілок поблизу провідника із струмом Фарадей почав займатися дослідженням звrsquoязку між електричними і магнітними явищами і в 1821 році виявив обертання магніту навколо провідника з струмом і обертання провідника із струмом навколо магніту

Його дослідження закінчились у 1831 році відкриттям електромагнітної індукції Він вивів її основний закон зrsquoясував залежність індукційного струму від магнітних властивостей середовища дослідив явище самоіндукції

Намагаючись установити кількісні співвідношення між різними видами електрики Фарадей почав дослідження з електролізу відкрив його закони (1833 ndash 34) і ввів термінологію в цій області яка збереглася дотепер В 1840 році ще до відкриття закону збереження енергії Фарадей висловив думку про єдність ldquoсилrdquo природи (різних видів енергії) і їх взаємному перетворенні Він ввів уявлення про силові лінії які вважав фізично існуючими

12 25

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

35

Міністерство аграрної політики України Аграрний технікум ПДАА

ФІ ЗИКА

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

ДО ПРОВЕДЕННЯ ЗАНЯТЬ З ТЕМИ

ldquoЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ В ЕЛЕКТРОЛ ІТАХ rdquo

Зі спеціальностей

5130107 Агрономія 5130204 Бджільництво 5070906 Землевпорядкування 5050111 Бух Облік 5050104 Фінанси 5050202 Організація вир-ва

Полтава 2004

34

Укладач викладач фізики Аграрного технікуму ПДАА

Яворенко Олена Євгеніївна Рецензент

Розглянуто і схвалено на засіданні циклової комісії природничо- математичних дисциплін Протокол ___від___________ Голова комісії________________

33

ПО Я СНЮВА Л Ь Н А З А П ИС КА

У курсі фізики для вищих навчальних закладів I і II рівня

акредитації та середніх шкіл важливе місце займає розділ

ldquoЕлектрикаrdquo Для формування уявлень студентів про єдність та

цілісність матерії взаємозвrsquoязок між природними явищами

вивчення електричного стуму його природи в різних середовищах

суті явищ що супроводжують проходження струму в цих

середовищах є необхідним

Тема ldquoЕлектричний струм в електролітахrdquo розрахована на 4

години з них дві години доцільно відвести на лекцію а інші дві

години ndash на лабораторно-практичну роботу Лекція містить досить

цікаві факти з історії життя відкривачів законів електролізу та

способів його застосування Під час проведення досліду студенти

мають змогу закріпити отримані на лекції знання при розвrsquoязуванні

задач Вона дає можливість закріпити отримані знання про

електролітичну дисоціацію електроліз його види та практичне

застосування встановивши з хімією тісні міжпредметні звrsquoязки

5 32

Л Е К Ц І Я

Тема Електричний струм в електролітах Мета Пригадати поняття електролітів електролітичної

дисоціації сформувати уяву про фізичну природу електричного струму в електролітах вивчити закони електролізу Фарадея ознайомити студентів з технічним застосуванням електролізу

Виховна мета Продовжувати формувати у студентів поняття про єдність матерії

Мотивація Вивчення струму в електролітах привело англійського фізика Деві до відкриття ряду нових хімічних елементів натрію калію кальцію Застосувавши електроліз води і основ Деві вперше показав що вода і основи не є простими речовинами як їх вважали на той час Зараз шляхом електролізу отримують алюміній хімічно чисті метали здійснюють нікелювання хромування позолочення та інші хімічні процеси

Технічні засоби навчання кодоскоп екран амперметр демонстраційний батарейка ключ реостат електролітичні ванни із CuSO4 і дистильованою водою плакати із формулами папка з малюнками 35 портрети вчених

Демонстрації проходження електричного струму через дистильовану воду через розчин мідного купоросу при мідних електродах електроліз мідного купоросу при вугільних електродах

П л а н л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація 2 Електричний струм в електролітах 3 Опір електролітів 4 Явище електролізу 5 Закони Фарадея 6 Визначення заряду одновалентного іона 7 Застосування електролізу

6 31

З м і с т л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація

Що ж таке електроліти Розчини солей кислот лугів та розплави солей які добре проводять електричний струм називаються електролітами Дистильована вода солі концентровані кислоти та луги є діелектриками

Демонстрація 1 Складемо електричне коло з джерела

струму демонстраційного амперметра реостата вимикача і електролітичної ванни з дистильованою водою Замкнувши коло побачимо що струм у колі відсутній (див малюнок 1)

Демонстрація 2 Складаємо аналогічне коло в якому

електролітичну ванну з дистильованою водою замінюємо на електролітичну ванну з розчином мідного купоросу (CuSO4) Замкнувши електричне коло бачимо що струм у колі є (стрілка амперметра відхиляється)

Що ж відбувається з солями кислотами та лугами якщо їх

розчинити наприклад у воді (вона є найпоширенішим розчинником)

Молекули цих речовин складаються з двох частин що мають однакові за величиною та різні за знаками заряди тобто з двох іонів Сили притягання між цими іонами забезпечують цілісність молекули

Молекули води є диполями навколо яких існує сильне електричне поле Під час розчинення наприклад солі NaCl у воді навколо кожного з іонів (Na+ і Cl-) розміщуються полярні молекули розчинника (води) причому до позитивного іона молекули солі притягуються негативні полюси молекул ndash диполів води відштовхуючи при цьому позитивний іон молекули солі Такий процес обліплювання іонів молекул солі молекулами води послаблює звrsquoязки між іонами молекул солі (сили взаємодії між іонами зменшуються згідно закону Кулона в ε раз ε ndash діелектрична проникність розчинника для води ε = 81) (див малюнок 2)

Цей звrsquoязок між іонами молекули солі може ослабнути

7 30

настільки що енергії теплових співударів буде достатньо щоб відокремити іони один від одного Отже у процесі взаємодії молекул солей кислот та лугів з молекулами розчинника утворюють позитивно заряджені іони ndash катіони і негативно заряджені іони ndash аніони

Процес розпаду молекул розчиненої речовини на іони обох знаків під дією розчинника називається електролітичною дисоціацією

Одночасно з дисоціацією внаслідок співударів відбувається і зворотній процес сполучення різнойменно заряджених іонів у нейтральні молекули Цей процес називають молізацією (рекомбінацією)

Кількісною характеристикою електролітичної дисоціації є ступінь дисоціації α―це число яке показує яка частина молекул розчиненої речовини розпалася на іони

Отже згідно теорії електролітичної дисоціації в розчинах солей кислот та лугів та розплавах солей завжди є вільні іони обох знаків

2 Електричний струм в електролітах

Якщо електроліт не внесено в зовнішнє електричне поле то

іони і молекули будуть рухатися хаотично Якщо ж в електроліті створити електричне поле приклавши напругу до електродів вміщених у електроліт то крім хаотичного теплового руху молекул в електроліті зrsquoявляється напрямлений рух іонів Іони ldquo+rdquo (катіони) рухаються до катода а іони ldquondashldquo― до анода Дійшовши до відповідних електродів іони віддають їм свої заряди і ставши звичайними молекулами чи атомами виділяються на електродах або вступають у хімічні реакції

(Аналіз схеми руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 за малюнком 3)

Проаналізуємо схему руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 При проходженні струму через розчин мідного купоросу відбувається слідуючий процес Позитивні іони Cu2+ при зіткненні з катодом отримують електрони яких їм не вистачає і виділяються на катоді у вигляді нейтральних атомів Негативні іони SO4

2 ndash при зіткненні з анодом віддають зайві електрони Електрони що

8 29

зrsquoявились на аноді по зовнішньому колу переходять на катод і там зrsquoєднуються з позитивними іонами

Отже напрямлений рух іонів обох знаків у електролітах називають електричним струмом в електролітах

Напрямлений рух іонів в електричному полі ви спостерігали на досліді на уроках хімії Нагадаємо цей дослід Змочений розчином якогось безбарвного електроліту наприклад глауберової солі Na2SO4 кухонної солі NaCl тощо фільтрувальний папір кладуть на скло Якщо накидати CuCl2 або K2CrO4 то шматочки розчинятимуться і навколо кожного утворюється забарвлена кругла пляма Але якщо перед тим як кидати шматочки солі опустити на папір два електроди і приєднати їх до джерела постійної напруги то замість круглої плями від кожного шматочка потягнеться кольоровий язичок у напрямі катода тоді коли кольоровими є позитивні іони солі або ж у напрямі анода якщо забарвлення розчину надають негативні іони Цей дослід дає змогу не лише спостерігати рух іонів а й оцінити порядок швидкості напрямленого переміщення іонів

3 Опір електролітів

Електропровідність електролітів є іонною Досліди

показують що електропровідність електролітів зростає з підвищенням температури

Як і в металах в електролітах носії заряду утворюються незалежно від електричного струму Заряд позитивних іонів рівний заряду негативних іонів у кожному обrsquoємі електроліту а тому обrsquoємний заряд електроліту як і металу рівний нулю

Поняття електропровідності повrsquoязано з поняттям опору Опір електролітів так як і металів залежить від лінійних

розмірів і роду електроліту тобто S

R lρ= де l ndash віддаль між

електродами а S ndash площа електродів що занурена в електроліт (Пропонуємо студентам розвrsquoязати задачу умова якої подана на екран через кодоскоп)

9 28

З а д а ч а Визначити опір електролітичної ванни яка заповнена 10-

розчином мідного купоросу якщо площа зануреної частини кожного електроду рівна 20 см2 і вони знаходяться один від одного на відстані 5 см ( ρ = 0315 Омmiddotм)

Відповідь R = 79 Ом При підвищенні температури опір електролітів зменшується

на відміну від металів Це відбувається тому що 1) при зростанні температури зростає ступінь дисоціації α 2) при зростанні температури зростає рухливість іонів

4 Явище електролізу Проходження струму через електроліт супроводжується

явищем електролізу Це виділення на електродах речовин що входять до складу електроліту при проходженні струму через електроліт

Нехай наприклад в електролітичну ванну налили електролітndashрозчин сірчаної кислоти у воді Молекули сірчаної кислоти при розчиненні майже повністю дисоціюють H2SO4rarr2H++SO4

2ndash При проходженні електричного струму через розчин на катоді

виділяється атомарний водень на аноді ndash молекули SO4 Це результати електролізу Далі починаються вторинні реакції під час електролізу атомарний водень сполучається в молекули 2НrarrН2uarr Нестійкі молекули SO4 розпадаються SO4rarr SO3+О Атоми кисню зrsquoєднуються в молекули2ОrarrО2uarr Молекули SO3 взаємодіють з водоюа утворені молекули сірчаної кислоти дисоціюють

SO3+Н2Оrarr H2SO4rarr2H++SO42ndash

В результаті вторинних реакцій відновлюється концентрація іонів в розчині виділяються на електродах гази водню і кисню в пропорціях в яких ці елементи входять до склад води Фактично відбувається процес розпаду води на водень та кисень

Явище електролізу характеризує хімічну дію струму Це явище може бути з виділенням речовини на обох

електродах або із розчиненням анода У наведеному вище прикладі речовина виділяється на обох

електродах Виділення речовини на обох електродах відбувається

10 27

при неактивному аноді який не розчиняється в електроліті У нашому прикладі пластини не реагують з електролітом У техніці для такого електролізу найчастіше користуються вугільними або графітовими електродами

Демонстрація 3 В скляну електролітичну ванну наливаємо

20 ndash 30 розчин CuSO4 і занурюємо в нього два вугільних електроди Складаємо коло з джерела струму на 220 В вимикача скляної електролітичної ванни в яку опущені два вугільні електроди та електролампи потужністю 40 ndash 60 Вт Пропускаючи струм протягом 2 ndash3 хвилин виймаємо з ванни катод на якому за цей час відкладається шар міді який гарно видно навіть у великій аудиторії Після цього занурюємо електрод назад у ванну і змінюємо напрям струму на протилежний Через декілька хвилин шар міді на електроді який тепер служить анодом розчиниться електрод знову стане чорним а на другому електроді який тепер став катодом відложиться шар міді

Вище було сказано що речовина під час електролізу не завжди виділяється на обох електродах Якщо в електролітичну ванну налити розчин солі тієї речовини з якої виготовлено анод то речовина виділяється лише на катоді а анод розчиняється У цьому разі анод називають активним бо він реагує з електролітом Як приклад такого електролізу розглянемо очищення срібла від сторонніх домішок яке називають рафінуванням

У ванну з розчином азотнокислого срібла опускають срібні електроди і зrsquoєднують їх з батареєю Катодом є тонка срібна пластина анодом ndash товста пластина з срібла що має домішки Під час електролізу срібло переноситься з анода на катод а домішки осідають на дно ванни Зrsquoясуємо це явище

Молекули азотнокислого срібла дисоціюють rarr AgNO3 larr Ag++NO3ˉ

Під час електролізу іони срібла прямують до катода і одержують від нього електрон а нейтральні атоми срібла осідають на катоді тобто маса катода зростає До анода прямують іони NO3ˉ де сполучаються з одним з іонів срібла які перейшли з анода в розчин Отже маса анода під час електролізу поступово зменшується а концентрація розчину у ванні не змінюється доти

11 26

доки анод не розчиниться повністю Явище електролізу було вперше відкрито в 1800 році

Але лише в 1833 році М Фарадей установив закони електролізу

5 Закони Фарадея

Історична довідка (див малюнок 4) Майкл Фарадей (22091791 ndash 25081867) народився в сімrsquoї коваля Навчався в початковій школі потім в 14 років потрапив на навчання до хазяїна книжної лавки і майстерні де переплітали книги Займався самоосвітою відвідував публічні лекції а саме лекції Г Дєві в Королівському інституті Лондона який зіграв велику роль в рішенні Фарадея присвятити себе науці В 1813 році й2ого прийняли на роботу в Королівський інститут де він працював під керівництвом Дєві В 1813 ndash 1815 роках подорожуючи разом з Дєві по Європі Фарадей відвідав лабораторії Франції та Італії Спочатку Майкл допомагав Дєві в хімічних експериментах потім почав самостійні дослідження з хімії Самі найважливіші з них ndash отримання бензолу зрідження хлору Ставши відомим у наукових колах в 1825 році Фарадей стає директором лабораторії в 1827 ndash професором Королівського інституту

Ознайомившись з роботою Х Ерстеда про відхилення магнітних стрілок поблизу провідника із струмом Фарадей почав займатися дослідженням звrsquoязку між електричними і магнітними явищами і в 1821 році виявив обертання магніту навколо провідника з струмом і обертання провідника із струмом навколо магніту

Його дослідження закінчились у 1831 році відкриттям електромагнітної індукції Він вивів її основний закон зrsquoясував залежність індукційного струму від магнітних властивостей середовища дослідив явище самоіндукції

Намагаючись установити кількісні співвідношення між різними видами електрики Фарадей почав дослідження з електролізу відкрив його закони (1833 ndash 34) і ввів термінологію в цій області яка збереглася дотепер В 1840 році ще до відкриття закону збереження енергії Фарадей висловив думку про єдність ldquoсилrdquo природи (різних видів енергії) і їх взаємному перетворенні Він ввів уявлення про силові лінії які вважав фізично існуючими

12 25

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

Міністерство аграрної політики України Аграрний технікум ПДАА

ФІ ЗИКА

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

ДО ПРОВЕДЕННЯ ЗАНЯТЬ З ТЕМИ

ldquoЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ В ЕЛЕКТРОЛ ІТАХ rdquo

Зі спеціальностей

5130107 Агрономія 5130204 Бджільництво 5070906 Землевпорядкування 5050111 Бух Облік 5050104 Фінанси 5050202 Організація вир-ва

Полтава 2004

34

Укладач викладач фізики Аграрного технікуму ПДАА

Яворенко Олена Євгеніївна Рецензент

Розглянуто і схвалено на засіданні циклової комісії природничо- математичних дисциплін Протокол ___від___________ Голова комісії________________

33

ПО Я СНЮВА Л Ь Н А З А П ИС КА

У курсі фізики для вищих навчальних закладів I і II рівня

акредитації та середніх шкіл важливе місце займає розділ

ldquoЕлектрикаrdquo Для формування уявлень студентів про єдність та

цілісність матерії взаємозвrsquoязок між природними явищами

вивчення електричного стуму його природи в різних середовищах

суті явищ що супроводжують проходження струму в цих

середовищах є необхідним

Тема ldquoЕлектричний струм в електролітахrdquo розрахована на 4

години з них дві години доцільно відвести на лекцію а інші дві

години ndash на лабораторно-практичну роботу Лекція містить досить

цікаві факти з історії життя відкривачів законів електролізу та

способів його застосування Під час проведення досліду студенти

мають змогу закріпити отримані на лекції знання при розвrsquoязуванні

задач Вона дає можливість закріпити отримані знання про

електролітичну дисоціацію електроліз його види та практичне

застосування встановивши з хімією тісні міжпредметні звrsquoязки

5 32

Л Е К Ц І Я

Тема Електричний струм в електролітах Мета Пригадати поняття електролітів електролітичної

дисоціації сформувати уяву про фізичну природу електричного струму в електролітах вивчити закони електролізу Фарадея ознайомити студентів з технічним застосуванням електролізу

Виховна мета Продовжувати формувати у студентів поняття про єдність матерії

Мотивація Вивчення струму в електролітах привело англійського фізика Деві до відкриття ряду нових хімічних елементів натрію калію кальцію Застосувавши електроліз води і основ Деві вперше показав що вода і основи не є простими речовинами як їх вважали на той час Зараз шляхом електролізу отримують алюміній хімічно чисті метали здійснюють нікелювання хромування позолочення та інші хімічні процеси

Технічні засоби навчання кодоскоп екран амперметр демонстраційний батарейка ключ реостат електролітичні ванни із CuSO4 і дистильованою водою плакати із формулами папка з малюнками 35 портрети вчених

Демонстрації проходження електричного струму через дистильовану воду через розчин мідного купоросу при мідних електродах електроліз мідного купоросу при вугільних електродах

П л а н л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація 2 Електричний струм в електролітах 3 Опір електролітів 4 Явище електролізу 5 Закони Фарадея 6 Визначення заряду одновалентного іона 7 Застосування електролізу

6 31

З м і с т л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація

Що ж таке електроліти Розчини солей кислот лугів та розплави солей які добре проводять електричний струм називаються електролітами Дистильована вода солі концентровані кислоти та луги є діелектриками

Демонстрація 1 Складемо електричне коло з джерела

струму демонстраційного амперметра реостата вимикача і електролітичної ванни з дистильованою водою Замкнувши коло побачимо що струм у колі відсутній (див малюнок 1)

Демонстрація 2 Складаємо аналогічне коло в якому

електролітичну ванну з дистильованою водою замінюємо на електролітичну ванну з розчином мідного купоросу (CuSO4) Замкнувши електричне коло бачимо що струм у колі є (стрілка амперметра відхиляється)

Що ж відбувається з солями кислотами та лугами якщо їх

розчинити наприклад у воді (вона є найпоширенішим розчинником)

Молекули цих речовин складаються з двох частин що мають однакові за величиною та різні за знаками заряди тобто з двох іонів Сили притягання між цими іонами забезпечують цілісність молекули

Молекули води є диполями навколо яких існує сильне електричне поле Під час розчинення наприклад солі NaCl у воді навколо кожного з іонів (Na+ і Cl-) розміщуються полярні молекули розчинника (води) причому до позитивного іона молекули солі притягуються негативні полюси молекул ndash диполів води відштовхуючи при цьому позитивний іон молекули солі Такий процес обліплювання іонів молекул солі молекулами води послаблює звrsquoязки між іонами молекул солі (сили взаємодії між іонами зменшуються згідно закону Кулона в ε раз ε ndash діелектрична проникність розчинника для води ε = 81) (див малюнок 2)

Цей звrsquoязок між іонами молекули солі може ослабнути

7 30

настільки що енергії теплових співударів буде достатньо щоб відокремити іони один від одного Отже у процесі взаємодії молекул солей кислот та лугів з молекулами розчинника утворюють позитивно заряджені іони ndash катіони і негативно заряджені іони ndash аніони

Процес розпаду молекул розчиненої речовини на іони обох знаків під дією розчинника називається електролітичною дисоціацією

Одночасно з дисоціацією внаслідок співударів відбувається і зворотній процес сполучення різнойменно заряджених іонів у нейтральні молекули Цей процес називають молізацією (рекомбінацією)

Кількісною характеристикою електролітичної дисоціації є ступінь дисоціації α―це число яке показує яка частина молекул розчиненої речовини розпалася на іони

Отже згідно теорії електролітичної дисоціації в розчинах солей кислот та лугів та розплавах солей завжди є вільні іони обох знаків

2 Електричний струм в електролітах

Якщо електроліт не внесено в зовнішнє електричне поле то

іони і молекули будуть рухатися хаотично Якщо ж в електроліті створити електричне поле приклавши напругу до електродів вміщених у електроліт то крім хаотичного теплового руху молекул в електроліті зrsquoявляється напрямлений рух іонів Іони ldquo+rdquo (катіони) рухаються до катода а іони ldquondashldquo― до анода Дійшовши до відповідних електродів іони віддають їм свої заряди і ставши звичайними молекулами чи атомами виділяються на електродах або вступають у хімічні реакції

(Аналіз схеми руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 за малюнком 3)

Проаналізуємо схему руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 При проходженні струму через розчин мідного купоросу відбувається слідуючий процес Позитивні іони Cu2+ при зіткненні з катодом отримують електрони яких їм не вистачає і виділяються на катоді у вигляді нейтральних атомів Негативні іони SO4

2 ndash при зіткненні з анодом віддають зайві електрони Електрони що

8 29

зrsquoявились на аноді по зовнішньому колу переходять на катод і там зrsquoєднуються з позитивними іонами

Отже напрямлений рух іонів обох знаків у електролітах називають електричним струмом в електролітах

Напрямлений рух іонів в електричному полі ви спостерігали на досліді на уроках хімії Нагадаємо цей дослід Змочений розчином якогось безбарвного електроліту наприклад глауберової солі Na2SO4 кухонної солі NaCl тощо фільтрувальний папір кладуть на скло Якщо накидати CuCl2 або K2CrO4 то шматочки розчинятимуться і навколо кожного утворюється забарвлена кругла пляма Але якщо перед тим як кидати шматочки солі опустити на папір два електроди і приєднати їх до джерела постійної напруги то замість круглої плями від кожного шматочка потягнеться кольоровий язичок у напрямі катода тоді коли кольоровими є позитивні іони солі або ж у напрямі анода якщо забарвлення розчину надають негативні іони Цей дослід дає змогу не лише спостерігати рух іонів а й оцінити порядок швидкості напрямленого переміщення іонів

3 Опір електролітів

Електропровідність електролітів є іонною Досліди

показують що електропровідність електролітів зростає з підвищенням температури

Як і в металах в електролітах носії заряду утворюються незалежно від електричного струму Заряд позитивних іонів рівний заряду негативних іонів у кожному обrsquoємі електроліту а тому обrsquoємний заряд електроліту як і металу рівний нулю

Поняття електропровідності повrsquoязано з поняттям опору Опір електролітів так як і металів залежить від лінійних

розмірів і роду електроліту тобто S

R lρ= де l ndash віддаль між

електродами а S ndash площа електродів що занурена в електроліт (Пропонуємо студентам розвrsquoязати задачу умова якої подана на екран через кодоскоп)

9 28

З а д а ч а Визначити опір електролітичної ванни яка заповнена 10-

розчином мідного купоросу якщо площа зануреної частини кожного електроду рівна 20 см2 і вони знаходяться один від одного на відстані 5 см ( ρ = 0315 Омmiddotм)

Відповідь R = 79 Ом При підвищенні температури опір електролітів зменшується

на відміну від металів Це відбувається тому що 1) при зростанні температури зростає ступінь дисоціації α 2) при зростанні температури зростає рухливість іонів

4 Явище електролізу Проходження струму через електроліт супроводжується

явищем електролізу Це виділення на електродах речовин що входять до складу електроліту при проходженні струму через електроліт

Нехай наприклад в електролітичну ванну налили електролітndashрозчин сірчаної кислоти у воді Молекули сірчаної кислоти при розчиненні майже повністю дисоціюють H2SO4rarr2H++SO4

2ndash При проходженні електричного струму через розчин на катоді

виділяється атомарний водень на аноді ndash молекули SO4 Це результати електролізу Далі починаються вторинні реакції під час електролізу атомарний водень сполучається в молекули 2НrarrН2uarr Нестійкі молекули SO4 розпадаються SO4rarr SO3+О Атоми кисню зrsquoєднуються в молекули2ОrarrО2uarr Молекули SO3 взаємодіють з водоюа утворені молекули сірчаної кислоти дисоціюють

SO3+Н2Оrarr H2SO4rarr2H++SO42ndash

В результаті вторинних реакцій відновлюється концентрація іонів в розчині виділяються на електродах гази водню і кисню в пропорціях в яких ці елементи входять до склад води Фактично відбувається процес розпаду води на водень та кисень

Явище електролізу характеризує хімічну дію струму Це явище може бути з виділенням речовини на обох

електродах або із розчиненням анода У наведеному вище прикладі речовина виділяється на обох

електродах Виділення речовини на обох електродах відбувається

10 27

при неактивному аноді який не розчиняється в електроліті У нашому прикладі пластини не реагують з електролітом У техніці для такого електролізу найчастіше користуються вугільними або графітовими електродами

Демонстрація 3 В скляну електролітичну ванну наливаємо

20 ndash 30 розчин CuSO4 і занурюємо в нього два вугільних електроди Складаємо коло з джерела струму на 220 В вимикача скляної електролітичної ванни в яку опущені два вугільні електроди та електролампи потужністю 40 ndash 60 Вт Пропускаючи струм протягом 2 ndash3 хвилин виймаємо з ванни катод на якому за цей час відкладається шар міді який гарно видно навіть у великій аудиторії Після цього занурюємо електрод назад у ванну і змінюємо напрям струму на протилежний Через декілька хвилин шар міді на електроді який тепер служить анодом розчиниться електрод знову стане чорним а на другому електроді який тепер став катодом відложиться шар міді

Вище було сказано що речовина під час електролізу не завжди виділяється на обох електродах Якщо в електролітичну ванну налити розчин солі тієї речовини з якої виготовлено анод то речовина виділяється лише на катоді а анод розчиняється У цьому разі анод називають активним бо він реагує з електролітом Як приклад такого електролізу розглянемо очищення срібла від сторонніх домішок яке називають рафінуванням

У ванну з розчином азотнокислого срібла опускають срібні електроди і зrsquoєднують їх з батареєю Катодом є тонка срібна пластина анодом ndash товста пластина з срібла що має домішки Під час електролізу срібло переноситься з анода на катод а домішки осідають на дно ванни Зrsquoясуємо це явище

Молекули азотнокислого срібла дисоціюють rarr AgNO3 larr Ag++NO3ˉ

Під час електролізу іони срібла прямують до катода і одержують від нього електрон а нейтральні атоми срібла осідають на катоді тобто маса катода зростає До анода прямують іони NO3ˉ де сполучаються з одним з іонів срібла які перейшли з анода в розчин Отже маса анода під час електролізу поступово зменшується а концентрація розчину у ванні не змінюється доти

11 26

доки анод не розчиниться повністю Явище електролізу було вперше відкрито в 1800 році

Але лише в 1833 році М Фарадей установив закони електролізу

5 Закони Фарадея

Історична довідка (див малюнок 4) Майкл Фарадей (22091791 ndash 25081867) народився в сімrsquoї коваля Навчався в початковій школі потім в 14 років потрапив на навчання до хазяїна книжної лавки і майстерні де переплітали книги Займався самоосвітою відвідував публічні лекції а саме лекції Г Дєві в Королівському інституті Лондона який зіграв велику роль в рішенні Фарадея присвятити себе науці В 1813 році й2ого прийняли на роботу в Королівський інститут де він працював під керівництвом Дєві В 1813 ndash 1815 роках подорожуючи разом з Дєві по Європі Фарадей відвідав лабораторії Франції та Італії Спочатку Майкл допомагав Дєві в хімічних експериментах потім почав самостійні дослідження з хімії Самі найважливіші з них ndash отримання бензолу зрідження хлору Ставши відомим у наукових колах в 1825 році Фарадей стає директором лабораторії в 1827 ndash професором Королівського інституту

Ознайомившись з роботою Х Ерстеда про відхилення магнітних стрілок поблизу провідника із струмом Фарадей почав займатися дослідженням звrsquoязку між електричними і магнітними явищами і в 1821 році виявив обертання магніту навколо провідника з струмом і обертання провідника із струмом навколо магніту

Його дослідження закінчились у 1831 році відкриттям електромагнітної індукції Він вивів її основний закон зrsquoясував залежність індукційного струму від магнітних властивостей середовища дослідив явище самоіндукції

Намагаючись установити кількісні співвідношення між різними видами електрики Фарадей почав дослідження з електролізу відкрив його закони (1833 ndash 34) і ввів термінологію в цій області яка збереглася дотепер В 1840 році ще до відкриття закону збереження енергії Фарадей висловив думку про єдність ldquoсилrdquo природи (різних видів енергії) і їх взаємному перетворенні Він ввів уявлення про силові лінії які вважав фізично існуючими

12 25

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

Укладач викладач фізики Аграрного технікуму ПДАА

Яворенко Олена Євгеніївна Рецензент

Розглянуто і схвалено на засіданні циклової комісії природничо- математичних дисциплін Протокол ___від___________ Голова комісії________________

33

ПО Я СНЮВА Л Ь Н А З А П ИС КА

У курсі фізики для вищих навчальних закладів I і II рівня

акредитації та середніх шкіл важливе місце займає розділ

ldquoЕлектрикаrdquo Для формування уявлень студентів про єдність та

цілісність матерії взаємозвrsquoязок між природними явищами

вивчення електричного стуму його природи в різних середовищах

суті явищ що супроводжують проходження струму в цих

середовищах є необхідним

Тема ldquoЕлектричний струм в електролітахrdquo розрахована на 4

години з них дві години доцільно відвести на лекцію а інші дві

години ndash на лабораторно-практичну роботу Лекція містить досить

цікаві факти з історії життя відкривачів законів електролізу та

способів його застосування Під час проведення досліду студенти

мають змогу закріпити отримані на лекції знання при розвrsquoязуванні

задач Вона дає можливість закріпити отримані знання про

електролітичну дисоціацію електроліз його види та практичне

застосування встановивши з хімією тісні міжпредметні звrsquoязки

5 32

Л Е К Ц І Я

Тема Електричний струм в електролітах Мета Пригадати поняття електролітів електролітичної

дисоціації сформувати уяву про фізичну природу електричного струму в електролітах вивчити закони електролізу Фарадея ознайомити студентів з технічним застосуванням електролізу

Виховна мета Продовжувати формувати у студентів поняття про єдність матерії

Мотивація Вивчення струму в електролітах привело англійського фізика Деві до відкриття ряду нових хімічних елементів натрію калію кальцію Застосувавши електроліз води і основ Деві вперше показав що вода і основи не є простими речовинами як їх вважали на той час Зараз шляхом електролізу отримують алюміній хімічно чисті метали здійснюють нікелювання хромування позолочення та інші хімічні процеси

Технічні засоби навчання кодоскоп екран амперметр демонстраційний батарейка ключ реостат електролітичні ванни із CuSO4 і дистильованою водою плакати із формулами папка з малюнками 35 портрети вчених

Демонстрації проходження електричного струму через дистильовану воду через розчин мідного купоросу при мідних електродах електроліз мідного купоросу при вугільних електродах

П л а н л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація 2 Електричний струм в електролітах 3 Опір електролітів 4 Явище електролізу 5 Закони Фарадея 6 Визначення заряду одновалентного іона 7 Застосування електролізу

6 31

З м і с т л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація

Що ж таке електроліти Розчини солей кислот лугів та розплави солей які добре проводять електричний струм називаються електролітами Дистильована вода солі концентровані кислоти та луги є діелектриками

Демонстрація 1 Складемо електричне коло з джерела

струму демонстраційного амперметра реостата вимикача і електролітичної ванни з дистильованою водою Замкнувши коло побачимо що струм у колі відсутній (див малюнок 1)

Демонстрація 2 Складаємо аналогічне коло в якому

електролітичну ванну з дистильованою водою замінюємо на електролітичну ванну з розчином мідного купоросу (CuSO4) Замкнувши електричне коло бачимо що струм у колі є (стрілка амперметра відхиляється)

Що ж відбувається з солями кислотами та лугами якщо їх

розчинити наприклад у воді (вона є найпоширенішим розчинником)

Молекули цих речовин складаються з двох частин що мають однакові за величиною та різні за знаками заряди тобто з двох іонів Сили притягання між цими іонами забезпечують цілісність молекули

Молекули води є диполями навколо яких існує сильне електричне поле Під час розчинення наприклад солі NaCl у воді навколо кожного з іонів (Na+ і Cl-) розміщуються полярні молекули розчинника (води) причому до позитивного іона молекули солі притягуються негативні полюси молекул ndash диполів води відштовхуючи при цьому позитивний іон молекули солі Такий процес обліплювання іонів молекул солі молекулами води послаблює звrsquoязки між іонами молекул солі (сили взаємодії між іонами зменшуються згідно закону Кулона в ε раз ε ndash діелектрична проникність розчинника для води ε = 81) (див малюнок 2)

Цей звrsquoязок між іонами молекули солі може ослабнути

7 30

настільки що енергії теплових співударів буде достатньо щоб відокремити іони один від одного Отже у процесі взаємодії молекул солей кислот та лугів з молекулами розчинника утворюють позитивно заряджені іони ndash катіони і негативно заряджені іони ndash аніони

Процес розпаду молекул розчиненої речовини на іони обох знаків під дією розчинника називається електролітичною дисоціацією

Одночасно з дисоціацією внаслідок співударів відбувається і зворотній процес сполучення різнойменно заряджених іонів у нейтральні молекули Цей процес називають молізацією (рекомбінацією)

Кількісною характеристикою електролітичної дисоціації є ступінь дисоціації α―це число яке показує яка частина молекул розчиненої речовини розпалася на іони

Отже згідно теорії електролітичної дисоціації в розчинах солей кислот та лугів та розплавах солей завжди є вільні іони обох знаків

2 Електричний струм в електролітах

Якщо електроліт не внесено в зовнішнє електричне поле то

іони і молекули будуть рухатися хаотично Якщо ж в електроліті створити електричне поле приклавши напругу до електродів вміщених у електроліт то крім хаотичного теплового руху молекул в електроліті зrsquoявляється напрямлений рух іонів Іони ldquo+rdquo (катіони) рухаються до катода а іони ldquondashldquo― до анода Дійшовши до відповідних електродів іони віддають їм свої заряди і ставши звичайними молекулами чи атомами виділяються на електродах або вступають у хімічні реакції

(Аналіз схеми руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 за малюнком 3)

Проаналізуємо схему руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 При проходженні струму через розчин мідного купоросу відбувається слідуючий процес Позитивні іони Cu2+ при зіткненні з катодом отримують електрони яких їм не вистачає і виділяються на катоді у вигляді нейтральних атомів Негативні іони SO4

2 ndash при зіткненні з анодом віддають зайві електрони Електрони що

8 29

зrsquoявились на аноді по зовнішньому колу переходять на катод і там зrsquoєднуються з позитивними іонами

Отже напрямлений рух іонів обох знаків у електролітах називають електричним струмом в електролітах

Напрямлений рух іонів в електричному полі ви спостерігали на досліді на уроках хімії Нагадаємо цей дослід Змочений розчином якогось безбарвного електроліту наприклад глауберової солі Na2SO4 кухонної солі NaCl тощо фільтрувальний папір кладуть на скло Якщо накидати CuCl2 або K2CrO4 то шматочки розчинятимуться і навколо кожного утворюється забарвлена кругла пляма Але якщо перед тим як кидати шматочки солі опустити на папір два електроди і приєднати їх до джерела постійної напруги то замість круглої плями від кожного шматочка потягнеться кольоровий язичок у напрямі катода тоді коли кольоровими є позитивні іони солі або ж у напрямі анода якщо забарвлення розчину надають негативні іони Цей дослід дає змогу не лише спостерігати рух іонів а й оцінити порядок швидкості напрямленого переміщення іонів

3 Опір електролітів

Електропровідність електролітів є іонною Досліди

показують що електропровідність електролітів зростає з підвищенням температури

Як і в металах в електролітах носії заряду утворюються незалежно від електричного струму Заряд позитивних іонів рівний заряду негативних іонів у кожному обrsquoємі електроліту а тому обrsquoємний заряд електроліту як і металу рівний нулю

Поняття електропровідності повrsquoязано з поняттям опору Опір електролітів так як і металів залежить від лінійних

розмірів і роду електроліту тобто S

R lρ= де l ndash віддаль між

електродами а S ndash площа електродів що занурена в електроліт (Пропонуємо студентам розвrsquoязати задачу умова якої подана на екран через кодоскоп)

9 28

З а д а ч а Визначити опір електролітичної ванни яка заповнена 10-

розчином мідного купоросу якщо площа зануреної частини кожного електроду рівна 20 см2 і вони знаходяться один від одного на відстані 5 см ( ρ = 0315 Омmiddotм)

Відповідь R = 79 Ом При підвищенні температури опір електролітів зменшується

на відміну від металів Це відбувається тому що 1) при зростанні температури зростає ступінь дисоціації α 2) при зростанні температури зростає рухливість іонів

4 Явище електролізу Проходження струму через електроліт супроводжується

явищем електролізу Це виділення на електродах речовин що входять до складу електроліту при проходженні струму через електроліт

Нехай наприклад в електролітичну ванну налили електролітndashрозчин сірчаної кислоти у воді Молекули сірчаної кислоти при розчиненні майже повністю дисоціюють H2SO4rarr2H++SO4

2ndash При проходженні електричного струму через розчин на катоді

виділяється атомарний водень на аноді ndash молекули SO4 Це результати електролізу Далі починаються вторинні реакції під час електролізу атомарний водень сполучається в молекули 2НrarrН2uarr Нестійкі молекули SO4 розпадаються SO4rarr SO3+О Атоми кисню зrsquoєднуються в молекули2ОrarrО2uarr Молекули SO3 взаємодіють з водоюа утворені молекули сірчаної кислоти дисоціюють

SO3+Н2Оrarr H2SO4rarr2H++SO42ndash

В результаті вторинних реакцій відновлюється концентрація іонів в розчині виділяються на електродах гази водню і кисню в пропорціях в яких ці елементи входять до склад води Фактично відбувається процес розпаду води на водень та кисень

Явище електролізу характеризує хімічну дію струму Це явище може бути з виділенням речовини на обох

електродах або із розчиненням анода У наведеному вище прикладі речовина виділяється на обох

електродах Виділення речовини на обох електродах відбувається

10 27

при неактивному аноді який не розчиняється в електроліті У нашому прикладі пластини не реагують з електролітом У техніці для такого електролізу найчастіше користуються вугільними або графітовими електродами

Демонстрація 3 В скляну електролітичну ванну наливаємо

20 ndash 30 розчин CuSO4 і занурюємо в нього два вугільних електроди Складаємо коло з джерела струму на 220 В вимикача скляної електролітичної ванни в яку опущені два вугільні електроди та електролампи потужністю 40 ndash 60 Вт Пропускаючи струм протягом 2 ndash3 хвилин виймаємо з ванни катод на якому за цей час відкладається шар міді який гарно видно навіть у великій аудиторії Після цього занурюємо електрод назад у ванну і змінюємо напрям струму на протилежний Через декілька хвилин шар міді на електроді який тепер служить анодом розчиниться електрод знову стане чорним а на другому електроді який тепер став катодом відложиться шар міді

Вище було сказано що речовина під час електролізу не завжди виділяється на обох електродах Якщо в електролітичну ванну налити розчин солі тієї речовини з якої виготовлено анод то речовина виділяється лише на катоді а анод розчиняється У цьому разі анод називають активним бо він реагує з електролітом Як приклад такого електролізу розглянемо очищення срібла від сторонніх домішок яке називають рафінуванням

У ванну з розчином азотнокислого срібла опускають срібні електроди і зrsquoєднують їх з батареєю Катодом є тонка срібна пластина анодом ndash товста пластина з срібла що має домішки Під час електролізу срібло переноситься з анода на катод а домішки осідають на дно ванни Зrsquoясуємо це явище

Молекули азотнокислого срібла дисоціюють rarr AgNO3 larr Ag++NO3ˉ

Під час електролізу іони срібла прямують до катода і одержують від нього електрон а нейтральні атоми срібла осідають на катоді тобто маса катода зростає До анода прямують іони NO3ˉ де сполучаються з одним з іонів срібла які перейшли з анода в розчин Отже маса анода під час електролізу поступово зменшується а концентрація розчину у ванні не змінюється доти

11 26

доки анод не розчиниться повністю Явище електролізу було вперше відкрито в 1800 році

Але лише в 1833 році М Фарадей установив закони електролізу

5 Закони Фарадея

Історична довідка (див малюнок 4) Майкл Фарадей (22091791 ndash 25081867) народився в сімrsquoї коваля Навчався в початковій школі потім в 14 років потрапив на навчання до хазяїна книжної лавки і майстерні де переплітали книги Займався самоосвітою відвідував публічні лекції а саме лекції Г Дєві в Королівському інституті Лондона який зіграв велику роль в рішенні Фарадея присвятити себе науці В 1813 році й2ого прийняли на роботу в Королівський інститут де він працював під керівництвом Дєві В 1813 ndash 1815 роках подорожуючи разом з Дєві по Європі Фарадей відвідав лабораторії Франції та Італії Спочатку Майкл допомагав Дєві в хімічних експериментах потім почав самостійні дослідження з хімії Самі найважливіші з них ndash отримання бензолу зрідження хлору Ставши відомим у наукових колах в 1825 році Фарадей стає директором лабораторії в 1827 ndash професором Королівського інституту

Ознайомившись з роботою Х Ерстеда про відхилення магнітних стрілок поблизу провідника із струмом Фарадей почав займатися дослідженням звrsquoязку між електричними і магнітними явищами і в 1821 році виявив обертання магніту навколо провідника з струмом і обертання провідника із струмом навколо магніту

Його дослідження закінчились у 1831 році відкриттям електромагнітної індукції Він вивів її основний закон зrsquoясував залежність індукційного струму від магнітних властивостей середовища дослідив явище самоіндукції

Намагаючись установити кількісні співвідношення між різними видами електрики Фарадей почав дослідження з електролізу відкрив його закони (1833 ndash 34) і ввів термінологію в цій області яка збереглася дотепер В 1840 році ще до відкриття закону збереження енергії Фарадей висловив думку про єдність ldquoсилrdquo природи (різних видів енергії) і їх взаємному перетворенні Він ввів уявлення про силові лінії які вважав фізично існуючими

12 25

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

ПО Я СНЮВА Л Ь Н А З А П ИС КА

У курсі фізики для вищих навчальних закладів I і II рівня

акредитації та середніх шкіл важливе місце займає розділ

ldquoЕлектрикаrdquo Для формування уявлень студентів про єдність та

цілісність матерії взаємозвrsquoязок між природними явищами

вивчення електричного стуму його природи в різних середовищах

суті явищ що супроводжують проходження струму в цих

середовищах є необхідним

Тема ldquoЕлектричний струм в електролітахrdquo розрахована на 4

години з них дві години доцільно відвести на лекцію а інші дві

години ndash на лабораторно-практичну роботу Лекція містить досить

цікаві факти з історії життя відкривачів законів електролізу та

способів його застосування Під час проведення досліду студенти

мають змогу закріпити отримані на лекції знання при розвrsquoязуванні

задач Вона дає можливість закріпити отримані знання про

електролітичну дисоціацію електроліз його види та практичне

застосування встановивши з хімією тісні міжпредметні звrsquoязки

5 32

Л Е К Ц І Я

Тема Електричний струм в електролітах Мета Пригадати поняття електролітів електролітичної

дисоціації сформувати уяву про фізичну природу електричного струму в електролітах вивчити закони електролізу Фарадея ознайомити студентів з технічним застосуванням електролізу

Виховна мета Продовжувати формувати у студентів поняття про єдність матерії

Мотивація Вивчення струму в електролітах привело англійського фізика Деві до відкриття ряду нових хімічних елементів натрію калію кальцію Застосувавши електроліз води і основ Деві вперше показав що вода і основи не є простими речовинами як їх вважали на той час Зараз шляхом електролізу отримують алюміній хімічно чисті метали здійснюють нікелювання хромування позолочення та інші хімічні процеси

Технічні засоби навчання кодоскоп екран амперметр демонстраційний батарейка ключ реостат електролітичні ванни із CuSO4 і дистильованою водою плакати із формулами папка з малюнками 35 портрети вчених

Демонстрації проходження електричного струму через дистильовану воду через розчин мідного купоросу при мідних електродах електроліз мідного купоросу при вугільних електродах

П л а н л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація 2 Електричний струм в електролітах 3 Опір електролітів 4 Явище електролізу 5 Закони Фарадея 6 Визначення заряду одновалентного іона 7 Застосування електролізу

6 31

З м і с т л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація

Що ж таке електроліти Розчини солей кислот лугів та розплави солей які добре проводять електричний струм називаються електролітами Дистильована вода солі концентровані кислоти та луги є діелектриками

Демонстрація 1 Складемо електричне коло з джерела

струму демонстраційного амперметра реостата вимикача і електролітичної ванни з дистильованою водою Замкнувши коло побачимо що струм у колі відсутній (див малюнок 1)

Демонстрація 2 Складаємо аналогічне коло в якому

електролітичну ванну з дистильованою водою замінюємо на електролітичну ванну з розчином мідного купоросу (CuSO4) Замкнувши електричне коло бачимо що струм у колі є (стрілка амперметра відхиляється)

Що ж відбувається з солями кислотами та лугами якщо їх

розчинити наприклад у воді (вона є найпоширенішим розчинником)

Молекули цих речовин складаються з двох частин що мають однакові за величиною та різні за знаками заряди тобто з двох іонів Сили притягання між цими іонами забезпечують цілісність молекули

Молекули води є диполями навколо яких існує сильне електричне поле Під час розчинення наприклад солі NaCl у воді навколо кожного з іонів (Na+ і Cl-) розміщуються полярні молекули розчинника (води) причому до позитивного іона молекули солі притягуються негативні полюси молекул ndash диполів води відштовхуючи при цьому позитивний іон молекули солі Такий процес обліплювання іонів молекул солі молекулами води послаблює звrsquoязки між іонами молекул солі (сили взаємодії між іонами зменшуються згідно закону Кулона в ε раз ε ndash діелектрична проникність розчинника для води ε = 81) (див малюнок 2)

Цей звrsquoязок між іонами молекули солі може ослабнути

7 30

настільки що енергії теплових співударів буде достатньо щоб відокремити іони один від одного Отже у процесі взаємодії молекул солей кислот та лугів з молекулами розчинника утворюють позитивно заряджені іони ndash катіони і негативно заряджені іони ndash аніони

Процес розпаду молекул розчиненої речовини на іони обох знаків під дією розчинника називається електролітичною дисоціацією

Одночасно з дисоціацією внаслідок співударів відбувається і зворотній процес сполучення різнойменно заряджених іонів у нейтральні молекули Цей процес називають молізацією (рекомбінацією)

Кількісною характеристикою електролітичної дисоціації є ступінь дисоціації α―це число яке показує яка частина молекул розчиненої речовини розпалася на іони

Отже згідно теорії електролітичної дисоціації в розчинах солей кислот та лугів та розплавах солей завжди є вільні іони обох знаків

2 Електричний струм в електролітах

Якщо електроліт не внесено в зовнішнє електричне поле то

іони і молекули будуть рухатися хаотично Якщо ж в електроліті створити електричне поле приклавши напругу до електродів вміщених у електроліт то крім хаотичного теплового руху молекул в електроліті зrsquoявляється напрямлений рух іонів Іони ldquo+rdquo (катіони) рухаються до катода а іони ldquondashldquo― до анода Дійшовши до відповідних електродів іони віддають їм свої заряди і ставши звичайними молекулами чи атомами виділяються на електродах або вступають у хімічні реакції

(Аналіз схеми руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 за малюнком 3)

Проаналізуємо схему руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 При проходженні струму через розчин мідного купоросу відбувається слідуючий процес Позитивні іони Cu2+ при зіткненні з катодом отримують електрони яких їм не вистачає і виділяються на катоді у вигляді нейтральних атомів Негативні іони SO4

2 ndash при зіткненні з анодом віддають зайві електрони Електрони що

8 29

зrsquoявились на аноді по зовнішньому колу переходять на катод і там зrsquoєднуються з позитивними іонами

Отже напрямлений рух іонів обох знаків у електролітах називають електричним струмом в електролітах

Напрямлений рух іонів в електричному полі ви спостерігали на досліді на уроках хімії Нагадаємо цей дослід Змочений розчином якогось безбарвного електроліту наприклад глауберової солі Na2SO4 кухонної солі NaCl тощо фільтрувальний папір кладуть на скло Якщо накидати CuCl2 або K2CrO4 то шматочки розчинятимуться і навколо кожного утворюється забарвлена кругла пляма Але якщо перед тим як кидати шматочки солі опустити на папір два електроди і приєднати їх до джерела постійної напруги то замість круглої плями від кожного шматочка потягнеться кольоровий язичок у напрямі катода тоді коли кольоровими є позитивні іони солі або ж у напрямі анода якщо забарвлення розчину надають негативні іони Цей дослід дає змогу не лише спостерігати рух іонів а й оцінити порядок швидкості напрямленого переміщення іонів

3 Опір електролітів

Електропровідність електролітів є іонною Досліди

показують що електропровідність електролітів зростає з підвищенням температури

Як і в металах в електролітах носії заряду утворюються незалежно від електричного струму Заряд позитивних іонів рівний заряду негативних іонів у кожному обrsquoємі електроліту а тому обrsquoємний заряд електроліту як і металу рівний нулю

Поняття електропровідності повrsquoязано з поняттям опору Опір електролітів так як і металів залежить від лінійних

розмірів і роду електроліту тобто S

R lρ= де l ndash віддаль між

електродами а S ndash площа електродів що занурена в електроліт (Пропонуємо студентам розвrsquoязати задачу умова якої подана на екран через кодоскоп)

9 28

З а д а ч а Визначити опір електролітичної ванни яка заповнена 10-

розчином мідного купоросу якщо площа зануреної частини кожного електроду рівна 20 см2 і вони знаходяться один від одного на відстані 5 см ( ρ = 0315 Омmiddotм)

Відповідь R = 79 Ом При підвищенні температури опір електролітів зменшується

на відміну від металів Це відбувається тому що 1) при зростанні температури зростає ступінь дисоціації α 2) при зростанні температури зростає рухливість іонів

4 Явище електролізу Проходження струму через електроліт супроводжується

явищем електролізу Це виділення на електродах речовин що входять до складу електроліту при проходженні струму через електроліт

Нехай наприклад в електролітичну ванну налили електролітndashрозчин сірчаної кислоти у воді Молекули сірчаної кислоти при розчиненні майже повністю дисоціюють H2SO4rarr2H++SO4

2ndash При проходженні електричного струму через розчин на катоді

виділяється атомарний водень на аноді ndash молекули SO4 Це результати електролізу Далі починаються вторинні реакції під час електролізу атомарний водень сполучається в молекули 2НrarrН2uarr Нестійкі молекули SO4 розпадаються SO4rarr SO3+О Атоми кисню зrsquoєднуються в молекули2ОrarrО2uarr Молекули SO3 взаємодіють з водоюа утворені молекули сірчаної кислоти дисоціюють

SO3+Н2Оrarr H2SO4rarr2H++SO42ndash

В результаті вторинних реакцій відновлюється концентрація іонів в розчині виділяються на електродах гази водню і кисню в пропорціях в яких ці елементи входять до склад води Фактично відбувається процес розпаду води на водень та кисень

Явище електролізу характеризує хімічну дію струму Це явище може бути з виділенням речовини на обох

електродах або із розчиненням анода У наведеному вище прикладі речовина виділяється на обох

електродах Виділення речовини на обох електродах відбувається

10 27

при неактивному аноді який не розчиняється в електроліті У нашому прикладі пластини не реагують з електролітом У техніці для такого електролізу найчастіше користуються вугільними або графітовими електродами

Демонстрація 3 В скляну електролітичну ванну наливаємо

20 ndash 30 розчин CuSO4 і занурюємо в нього два вугільних електроди Складаємо коло з джерела струму на 220 В вимикача скляної електролітичної ванни в яку опущені два вугільні електроди та електролампи потужністю 40 ndash 60 Вт Пропускаючи струм протягом 2 ndash3 хвилин виймаємо з ванни катод на якому за цей час відкладається шар міді який гарно видно навіть у великій аудиторії Після цього занурюємо електрод назад у ванну і змінюємо напрям струму на протилежний Через декілька хвилин шар міді на електроді який тепер служить анодом розчиниться електрод знову стане чорним а на другому електроді який тепер став катодом відложиться шар міді

Вище було сказано що речовина під час електролізу не завжди виділяється на обох електродах Якщо в електролітичну ванну налити розчин солі тієї речовини з якої виготовлено анод то речовина виділяється лише на катоді а анод розчиняється У цьому разі анод називають активним бо він реагує з електролітом Як приклад такого електролізу розглянемо очищення срібла від сторонніх домішок яке називають рафінуванням

У ванну з розчином азотнокислого срібла опускають срібні електроди і зrsquoєднують їх з батареєю Катодом є тонка срібна пластина анодом ndash товста пластина з срібла що має домішки Під час електролізу срібло переноситься з анода на катод а домішки осідають на дно ванни Зrsquoясуємо це явище

Молекули азотнокислого срібла дисоціюють rarr AgNO3 larr Ag++NO3ˉ

Під час електролізу іони срібла прямують до катода і одержують від нього електрон а нейтральні атоми срібла осідають на катоді тобто маса катода зростає До анода прямують іони NO3ˉ де сполучаються з одним з іонів срібла які перейшли з анода в розчин Отже маса анода під час електролізу поступово зменшується а концентрація розчину у ванні не змінюється доти

11 26

доки анод не розчиниться повністю Явище електролізу було вперше відкрито в 1800 році

Але лише в 1833 році М Фарадей установив закони електролізу

5 Закони Фарадея

Історична довідка (див малюнок 4) Майкл Фарадей (22091791 ndash 25081867) народився в сімrsquoї коваля Навчався в початковій школі потім в 14 років потрапив на навчання до хазяїна книжної лавки і майстерні де переплітали книги Займався самоосвітою відвідував публічні лекції а саме лекції Г Дєві в Королівському інституті Лондона який зіграв велику роль в рішенні Фарадея присвятити себе науці В 1813 році й2ого прийняли на роботу в Королівський інститут де він працював під керівництвом Дєві В 1813 ndash 1815 роках подорожуючи разом з Дєві по Європі Фарадей відвідав лабораторії Франції та Італії Спочатку Майкл допомагав Дєві в хімічних експериментах потім почав самостійні дослідження з хімії Самі найважливіші з них ndash отримання бензолу зрідження хлору Ставши відомим у наукових колах в 1825 році Фарадей стає директором лабораторії в 1827 ndash професором Королівського інституту

Ознайомившись з роботою Х Ерстеда про відхилення магнітних стрілок поблизу провідника із струмом Фарадей почав займатися дослідженням звrsquoязку між електричними і магнітними явищами і в 1821 році виявив обертання магніту навколо провідника з струмом і обертання провідника із струмом навколо магніту

Його дослідження закінчились у 1831 році відкриттям електромагнітної індукції Він вивів її основний закон зrsquoясував залежність індукційного струму від магнітних властивостей середовища дослідив явище самоіндукції

Намагаючись установити кількісні співвідношення між різними видами електрики Фарадей почав дослідження з електролізу відкрив його закони (1833 ndash 34) і ввів термінологію в цій області яка збереглася дотепер В 1840 році ще до відкриття закону збереження енергії Фарадей висловив думку про єдність ldquoсилrdquo природи (різних видів енергії) і їх взаємному перетворенні Він ввів уявлення про силові лінії які вважав фізично існуючими

12 25

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

Л Е К Ц І Я

Тема Електричний струм в електролітах Мета Пригадати поняття електролітів електролітичної

дисоціації сформувати уяву про фізичну природу електричного струму в електролітах вивчити закони електролізу Фарадея ознайомити студентів з технічним застосуванням електролізу

Виховна мета Продовжувати формувати у студентів поняття про єдність матерії

Мотивація Вивчення струму в електролітах привело англійського фізика Деві до відкриття ряду нових хімічних елементів натрію калію кальцію Застосувавши електроліз води і основ Деві вперше показав що вода і основи не є простими речовинами як їх вважали на той час Зараз шляхом електролізу отримують алюміній хімічно чисті метали здійснюють нікелювання хромування позолочення та інші хімічні процеси

Технічні засоби навчання кодоскоп екран амперметр демонстраційний батарейка ключ реостат електролітичні ванни із CuSO4 і дистильованою водою плакати із формулами папка з малюнками 35 портрети вчених

Демонстрації проходження електричного струму через дистильовану воду через розчин мідного купоросу при мідних електродах електроліз мідного купоросу при вугільних електродах

П л а н л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація 2 Електричний струм в електролітах 3 Опір електролітів 4 Явище електролізу 5 Закони Фарадея 6 Визначення заряду одновалентного іона 7 Застосування електролізу

6 31

З м і с т л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація

Що ж таке електроліти Розчини солей кислот лугів та розплави солей які добре проводять електричний струм називаються електролітами Дистильована вода солі концентровані кислоти та луги є діелектриками

Демонстрація 1 Складемо електричне коло з джерела

струму демонстраційного амперметра реостата вимикача і електролітичної ванни з дистильованою водою Замкнувши коло побачимо що струм у колі відсутній (див малюнок 1)

Демонстрація 2 Складаємо аналогічне коло в якому

електролітичну ванну з дистильованою водою замінюємо на електролітичну ванну з розчином мідного купоросу (CuSO4) Замкнувши електричне коло бачимо що струм у колі є (стрілка амперметра відхиляється)

Що ж відбувається з солями кислотами та лугами якщо їх

розчинити наприклад у воді (вона є найпоширенішим розчинником)

Молекули цих речовин складаються з двох частин що мають однакові за величиною та різні за знаками заряди тобто з двох іонів Сили притягання між цими іонами забезпечують цілісність молекули

Молекули води є диполями навколо яких існує сильне електричне поле Під час розчинення наприклад солі NaCl у воді навколо кожного з іонів (Na+ і Cl-) розміщуються полярні молекули розчинника (води) причому до позитивного іона молекули солі притягуються негативні полюси молекул ndash диполів води відштовхуючи при цьому позитивний іон молекули солі Такий процес обліплювання іонів молекул солі молекулами води послаблює звrsquoязки між іонами молекул солі (сили взаємодії між іонами зменшуються згідно закону Кулона в ε раз ε ndash діелектрична проникність розчинника для води ε = 81) (див малюнок 2)

Цей звrsquoязок між іонами молекули солі може ослабнути

7 30

настільки що енергії теплових співударів буде достатньо щоб відокремити іони один від одного Отже у процесі взаємодії молекул солей кислот та лугів з молекулами розчинника утворюють позитивно заряджені іони ndash катіони і негативно заряджені іони ndash аніони

Процес розпаду молекул розчиненої речовини на іони обох знаків під дією розчинника називається електролітичною дисоціацією

Одночасно з дисоціацією внаслідок співударів відбувається і зворотній процес сполучення різнойменно заряджених іонів у нейтральні молекули Цей процес називають молізацією (рекомбінацією)

Кількісною характеристикою електролітичної дисоціації є ступінь дисоціації α―це число яке показує яка частина молекул розчиненої речовини розпалася на іони

Отже згідно теорії електролітичної дисоціації в розчинах солей кислот та лугів та розплавах солей завжди є вільні іони обох знаків

2 Електричний струм в електролітах

Якщо електроліт не внесено в зовнішнє електричне поле то

іони і молекули будуть рухатися хаотично Якщо ж в електроліті створити електричне поле приклавши напругу до електродів вміщених у електроліт то крім хаотичного теплового руху молекул в електроліті зrsquoявляється напрямлений рух іонів Іони ldquo+rdquo (катіони) рухаються до катода а іони ldquondashldquo― до анода Дійшовши до відповідних електродів іони віддають їм свої заряди і ставши звичайними молекулами чи атомами виділяються на електродах або вступають у хімічні реакції

(Аналіз схеми руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 за малюнком 3)

Проаналізуємо схему руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 При проходженні струму через розчин мідного купоросу відбувається слідуючий процес Позитивні іони Cu2+ при зіткненні з катодом отримують електрони яких їм не вистачає і виділяються на катоді у вигляді нейтральних атомів Негативні іони SO4

2 ndash при зіткненні з анодом віддають зайві електрони Електрони що

8 29

зrsquoявились на аноді по зовнішньому колу переходять на катод і там зrsquoєднуються з позитивними іонами

Отже напрямлений рух іонів обох знаків у електролітах називають електричним струмом в електролітах

Напрямлений рух іонів в електричному полі ви спостерігали на досліді на уроках хімії Нагадаємо цей дослід Змочений розчином якогось безбарвного електроліту наприклад глауберової солі Na2SO4 кухонної солі NaCl тощо фільтрувальний папір кладуть на скло Якщо накидати CuCl2 або K2CrO4 то шматочки розчинятимуться і навколо кожного утворюється забарвлена кругла пляма Але якщо перед тим як кидати шматочки солі опустити на папір два електроди і приєднати їх до джерела постійної напруги то замість круглої плями від кожного шматочка потягнеться кольоровий язичок у напрямі катода тоді коли кольоровими є позитивні іони солі або ж у напрямі анода якщо забарвлення розчину надають негативні іони Цей дослід дає змогу не лише спостерігати рух іонів а й оцінити порядок швидкості напрямленого переміщення іонів

3 Опір електролітів

Електропровідність електролітів є іонною Досліди

показують що електропровідність електролітів зростає з підвищенням температури

Як і в металах в електролітах носії заряду утворюються незалежно від електричного струму Заряд позитивних іонів рівний заряду негативних іонів у кожному обrsquoємі електроліту а тому обrsquoємний заряд електроліту як і металу рівний нулю

Поняття електропровідності повrsquoязано з поняттям опору Опір електролітів так як і металів залежить від лінійних

розмірів і роду електроліту тобто S

R lρ= де l ndash віддаль між

електродами а S ndash площа електродів що занурена в електроліт (Пропонуємо студентам розвrsquoязати задачу умова якої подана на екран через кодоскоп)

9 28

З а д а ч а Визначити опір електролітичної ванни яка заповнена 10-

розчином мідного купоросу якщо площа зануреної частини кожного електроду рівна 20 см2 і вони знаходяться один від одного на відстані 5 см ( ρ = 0315 Омmiddotм)

Відповідь R = 79 Ом При підвищенні температури опір електролітів зменшується

на відміну від металів Це відбувається тому що 1) при зростанні температури зростає ступінь дисоціації α 2) при зростанні температури зростає рухливість іонів

4 Явище електролізу Проходження струму через електроліт супроводжується

явищем електролізу Це виділення на електродах речовин що входять до складу електроліту при проходженні струму через електроліт

Нехай наприклад в електролітичну ванну налили електролітndashрозчин сірчаної кислоти у воді Молекули сірчаної кислоти при розчиненні майже повністю дисоціюють H2SO4rarr2H++SO4

2ndash При проходженні електричного струму через розчин на катоді

виділяється атомарний водень на аноді ndash молекули SO4 Це результати електролізу Далі починаються вторинні реакції під час електролізу атомарний водень сполучається в молекули 2НrarrН2uarr Нестійкі молекули SO4 розпадаються SO4rarr SO3+О Атоми кисню зrsquoєднуються в молекули2ОrarrО2uarr Молекули SO3 взаємодіють з водоюа утворені молекули сірчаної кислоти дисоціюють

SO3+Н2Оrarr H2SO4rarr2H++SO42ndash

В результаті вторинних реакцій відновлюється концентрація іонів в розчині виділяються на електродах гази водню і кисню в пропорціях в яких ці елементи входять до склад води Фактично відбувається процес розпаду води на водень та кисень

Явище електролізу характеризує хімічну дію струму Це явище може бути з виділенням речовини на обох

електродах або із розчиненням анода У наведеному вище прикладі речовина виділяється на обох

електродах Виділення речовини на обох електродах відбувається

10 27

при неактивному аноді який не розчиняється в електроліті У нашому прикладі пластини не реагують з електролітом У техніці для такого електролізу найчастіше користуються вугільними або графітовими електродами

Демонстрація 3 В скляну електролітичну ванну наливаємо

20 ndash 30 розчин CuSO4 і занурюємо в нього два вугільних електроди Складаємо коло з джерела струму на 220 В вимикача скляної електролітичної ванни в яку опущені два вугільні електроди та електролампи потужністю 40 ndash 60 Вт Пропускаючи струм протягом 2 ndash3 хвилин виймаємо з ванни катод на якому за цей час відкладається шар міді який гарно видно навіть у великій аудиторії Після цього занурюємо електрод назад у ванну і змінюємо напрям струму на протилежний Через декілька хвилин шар міді на електроді який тепер служить анодом розчиниться електрод знову стане чорним а на другому електроді який тепер став катодом відложиться шар міді

Вище було сказано що речовина під час електролізу не завжди виділяється на обох електродах Якщо в електролітичну ванну налити розчин солі тієї речовини з якої виготовлено анод то речовина виділяється лише на катоді а анод розчиняється У цьому разі анод називають активним бо він реагує з електролітом Як приклад такого електролізу розглянемо очищення срібла від сторонніх домішок яке називають рафінуванням

У ванну з розчином азотнокислого срібла опускають срібні електроди і зrsquoєднують їх з батареєю Катодом є тонка срібна пластина анодом ndash товста пластина з срібла що має домішки Під час електролізу срібло переноситься з анода на катод а домішки осідають на дно ванни Зrsquoясуємо це явище

Молекули азотнокислого срібла дисоціюють rarr AgNO3 larr Ag++NO3ˉ

Під час електролізу іони срібла прямують до катода і одержують від нього електрон а нейтральні атоми срібла осідають на катоді тобто маса катода зростає До анода прямують іони NO3ˉ де сполучаються з одним з іонів срібла які перейшли з анода в розчин Отже маса анода під час електролізу поступово зменшується а концентрація розчину у ванні не змінюється доти

11 26

доки анод не розчиниться повністю Явище електролізу було вперше відкрито в 1800 році

Але лише в 1833 році М Фарадей установив закони електролізу

5 Закони Фарадея

Історична довідка (див малюнок 4) Майкл Фарадей (22091791 ndash 25081867) народився в сімrsquoї коваля Навчався в початковій школі потім в 14 років потрапив на навчання до хазяїна книжної лавки і майстерні де переплітали книги Займався самоосвітою відвідував публічні лекції а саме лекції Г Дєві в Королівському інституті Лондона який зіграв велику роль в рішенні Фарадея присвятити себе науці В 1813 році й2ого прийняли на роботу в Королівський інститут де він працював під керівництвом Дєві В 1813 ndash 1815 роках подорожуючи разом з Дєві по Європі Фарадей відвідав лабораторії Франції та Італії Спочатку Майкл допомагав Дєві в хімічних експериментах потім почав самостійні дослідження з хімії Самі найважливіші з них ndash отримання бензолу зрідження хлору Ставши відомим у наукових колах в 1825 році Фарадей стає директором лабораторії в 1827 ndash професором Королівського інституту

Ознайомившись з роботою Х Ерстеда про відхилення магнітних стрілок поблизу провідника із струмом Фарадей почав займатися дослідженням звrsquoязку між електричними і магнітними явищами і в 1821 році виявив обертання магніту навколо провідника з струмом і обертання провідника із струмом навколо магніту

Його дослідження закінчились у 1831 році відкриттям електромагнітної індукції Він вивів її основний закон зrsquoясував залежність індукційного струму від магнітних властивостей середовища дослідив явище самоіндукції

Намагаючись установити кількісні співвідношення між різними видами електрики Фарадей почав дослідження з електролізу відкрив його закони (1833 ndash 34) і ввів термінологію в цій області яка збереглася дотепер В 1840 році ще до відкриття закону збереження енергії Фарадей висловив думку про єдність ldquoсилrdquo природи (різних видів енергії) і їх взаємному перетворенні Він ввів уявлення про силові лінії які вважав фізично існуючими

12 25

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

З м і с т л е к ц і ї

1 Електроліти Електролітична дисоціація

Що ж таке електроліти Розчини солей кислот лугів та розплави солей які добре проводять електричний струм називаються електролітами Дистильована вода солі концентровані кислоти та луги є діелектриками

Демонстрація 1 Складемо електричне коло з джерела

струму демонстраційного амперметра реостата вимикача і електролітичної ванни з дистильованою водою Замкнувши коло побачимо що струм у колі відсутній (див малюнок 1)

Демонстрація 2 Складаємо аналогічне коло в якому

електролітичну ванну з дистильованою водою замінюємо на електролітичну ванну з розчином мідного купоросу (CuSO4) Замкнувши електричне коло бачимо що струм у колі є (стрілка амперметра відхиляється)

Що ж відбувається з солями кислотами та лугами якщо їх

розчинити наприклад у воді (вона є найпоширенішим розчинником)

Молекули цих речовин складаються з двох частин що мають однакові за величиною та різні за знаками заряди тобто з двох іонів Сили притягання між цими іонами забезпечують цілісність молекули

Молекули води є диполями навколо яких існує сильне електричне поле Під час розчинення наприклад солі NaCl у воді навколо кожного з іонів (Na+ і Cl-) розміщуються полярні молекули розчинника (води) причому до позитивного іона молекули солі притягуються негативні полюси молекул ndash диполів води відштовхуючи при цьому позитивний іон молекули солі Такий процес обліплювання іонів молекул солі молекулами води послаблює звrsquoязки між іонами молекул солі (сили взаємодії між іонами зменшуються згідно закону Кулона в ε раз ε ndash діелектрична проникність розчинника для води ε = 81) (див малюнок 2)

Цей звrsquoязок між іонами молекули солі може ослабнути

7 30

настільки що енергії теплових співударів буде достатньо щоб відокремити іони один від одного Отже у процесі взаємодії молекул солей кислот та лугів з молекулами розчинника утворюють позитивно заряджені іони ndash катіони і негативно заряджені іони ndash аніони

Процес розпаду молекул розчиненої речовини на іони обох знаків під дією розчинника називається електролітичною дисоціацією

Одночасно з дисоціацією внаслідок співударів відбувається і зворотній процес сполучення різнойменно заряджених іонів у нейтральні молекули Цей процес називають молізацією (рекомбінацією)

Кількісною характеристикою електролітичної дисоціації є ступінь дисоціації α―це число яке показує яка частина молекул розчиненої речовини розпалася на іони

Отже згідно теорії електролітичної дисоціації в розчинах солей кислот та лугів та розплавах солей завжди є вільні іони обох знаків

2 Електричний струм в електролітах

Якщо електроліт не внесено в зовнішнє електричне поле то

іони і молекули будуть рухатися хаотично Якщо ж в електроліті створити електричне поле приклавши напругу до електродів вміщених у електроліт то крім хаотичного теплового руху молекул в електроліті зrsquoявляється напрямлений рух іонів Іони ldquo+rdquo (катіони) рухаються до катода а іони ldquondashldquo― до анода Дійшовши до відповідних електродів іони віддають їм свої заряди і ставши звичайними молекулами чи атомами виділяються на електродах або вступають у хімічні реакції

(Аналіз схеми руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 за малюнком 3)

Проаналізуємо схему руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 При проходженні струму через розчин мідного купоросу відбувається слідуючий процес Позитивні іони Cu2+ при зіткненні з катодом отримують електрони яких їм не вистачає і виділяються на катоді у вигляді нейтральних атомів Негативні іони SO4

2 ndash при зіткненні з анодом віддають зайві електрони Електрони що

8 29

зrsquoявились на аноді по зовнішньому колу переходять на катод і там зrsquoєднуються з позитивними іонами

Отже напрямлений рух іонів обох знаків у електролітах називають електричним струмом в електролітах

Напрямлений рух іонів в електричному полі ви спостерігали на досліді на уроках хімії Нагадаємо цей дослід Змочений розчином якогось безбарвного електроліту наприклад глауберової солі Na2SO4 кухонної солі NaCl тощо фільтрувальний папір кладуть на скло Якщо накидати CuCl2 або K2CrO4 то шматочки розчинятимуться і навколо кожного утворюється забарвлена кругла пляма Але якщо перед тим як кидати шматочки солі опустити на папір два електроди і приєднати їх до джерела постійної напруги то замість круглої плями від кожного шматочка потягнеться кольоровий язичок у напрямі катода тоді коли кольоровими є позитивні іони солі або ж у напрямі анода якщо забарвлення розчину надають негативні іони Цей дослід дає змогу не лише спостерігати рух іонів а й оцінити порядок швидкості напрямленого переміщення іонів

3 Опір електролітів

Електропровідність електролітів є іонною Досліди

показують що електропровідність електролітів зростає з підвищенням температури

Як і в металах в електролітах носії заряду утворюються незалежно від електричного струму Заряд позитивних іонів рівний заряду негативних іонів у кожному обrsquoємі електроліту а тому обrsquoємний заряд електроліту як і металу рівний нулю

Поняття електропровідності повrsquoязано з поняттям опору Опір електролітів так як і металів залежить від лінійних

розмірів і роду електроліту тобто S

R lρ= де l ndash віддаль між

електродами а S ndash площа електродів що занурена в електроліт (Пропонуємо студентам розвrsquoязати задачу умова якої подана на екран через кодоскоп)

9 28

З а д а ч а Визначити опір електролітичної ванни яка заповнена 10-

розчином мідного купоросу якщо площа зануреної частини кожного електроду рівна 20 см2 і вони знаходяться один від одного на відстані 5 см ( ρ = 0315 Омmiddotм)

Відповідь R = 79 Ом При підвищенні температури опір електролітів зменшується

на відміну від металів Це відбувається тому що 1) при зростанні температури зростає ступінь дисоціації α 2) при зростанні температури зростає рухливість іонів

4 Явище електролізу Проходження струму через електроліт супроводжується

явищем електролізу Це виділення на електродах речовин що входять до складу електроліту при проходженні струму через електроліт

Нехай наприклад в електролітичну ванну налили електролітndashрозчин сірчаної кислоти у воді Молекули сірчаної кислоти при розчиненні майже повністю дисоціюють H2SO4rarr2H++SO4

2ndash При проходженні електричного струму через розчин на катоді

виділяється атомарний водень на аноді ndash молекули SO4 Це результати електролізу Далі починаються вторинні реакції під час електролізу атомарний водень сполучається в молекули 2НrarrН2uarr Нестійкі молекули SO4 розпадаються SO4rarr SO3+О Атоми кисню зrsquoєднуються в молекули2ОrarrО2uarr Молекули SO3 взаємодіють з водоюа утворені молекули сірчаної кислоти дисоціюють

SO3+Н2Оrarr H2SO4rarr2H++SO42ndash

В результаті вторинних реакцій відновлюється концентрація іонів в розчині виділяються на електродах гази водню і кисню в пропорціях в яких ці елементи входять до склад води Фактично відбувається процес розпаду води на водень та кисень

Явище електролізу характеризує хімічну дію струму Це явище може бути з виділенням речовини на обох

електродах або із розчиненням анода У наведеному вище прикладі речовина виділяється на обох

електродах Виділення речовини на обох електродах відбувається

10 27

при неактивному аноді який не розчиняється в електроліті У нашому прикладі пластини не реагують з електролітом У техніці для такого електролізу найчастіше користуються вугільними або графітовими електродами

Демонстрація 3 В скляну електролітичну ванну наливаємо

20 ndash 30 розчин CuSO4 і занурюємо в нього два вугільних електроди Складаємо коло з джерела струму на 220 В вимикача скляної електролітичної ванни в яку опущені два вугільні електроди та електролампи потужністю 40 ndash 60 Вт Пропускаючи струм протягом 2 ndash3 хвилин виймаємо з ванни катод на якому за цей час відкладається шар міді який гарно видно навіть у великій аудиторії Після цього занурюємо електрод назад у ванну і змінюємо напрям струму на протилежний Через декілька хвилин шар міді на електроді який тепер служить анодом розчиниться електрод знову стане чорним а на другому електроді який тепер став катодом відложиться шар міді

Вище було сказано що речовина під час електролізу не завжди виділяється на обох електродах Якщо в електролітичну ванну налити розчин солі тієї речовини з якої виготовлено анод то речовина виділяється лише на катоді а анод розчиняється У цьому разі анод називають активним бо він реагує з електролітом Як приклад такого електролізу розглянемо очищення срібла від сторонніх домішок яке називають рафінуванням

У ванну з розчином азотнокислого срібла опускають срібні електроди і зrsquoєднують їх з батареєю Катодом є тонка срібна пластина анодом ndash товста пластина з срібла що має домішки Під час електролізу срібло переноситься з анода на катод а домішки осідають на дно ванни Зrsquoясуємо це явище

Молекули азотнокислого срібла дисоціюють rarr AgNO3 larr Ag++NO3ˉ

Під час електролізу іони срібла прямують до катода і одержують від нього електрон а нейтральні атоми срібла осідають на катоді тобто маса катода зростає До анода прямують іони NO3ˉ де сполучаються з одним з іонів срібла які перейшли з анода в розчин Отже маса анода під час електролізу поступово зменшується а концентрація розчину у ванні не змінюється доти

11 26

доки анод не розчиниться повністю Явище електролізу було вперше відкрито в 1800 році

Але лише в 1833 році М Фарадей установив закони електролізу

5 Закони Фарадея

Історична довідка (див малюнок 4) Майкл Фарадей (22091791 ndash 25081867) народився в сімrsquoї коваля Навчався в початковій школі потім в 14 років потрапив на навчання до хазяїна книжної лавки і майстерні де переплітали книги Займався самоосвітою відвідував публічні лекції а саме лекції Г Дєві в Королівському інституті Лондона який зіграв велику роль в рішенні Фарадея присвятити себе науці В 1813 році й2ого прийняли на роботу в Королівський інститут де він працював під керівництвом Дєві В 1813 ndash 1815 роках подорожуючи разом з Дєві по Європі Фарадей відвідав лабораторії Франції та Італії Спочатку Майкл допомагав Дєві в хімічних експериментах потім почав самостійні дослідження з хімії Самі найважливіші з них ndash отримання бензолу зрідження хлору Ставши відомим у наукових колах в 1825 році Фарадей стає директором лабораторії в 1827 ndash професором Королівського інституту

Ознайомившись з роботою Х Ерстеда про відхилення магнітних стрілок поблизу провідника із струмом Фарадей почав займатися дослідженням звrsquoязку між електричними і магнітними явищами і в 1821 році виявив обертання магніту навколо провідника з струмом і обертання провідника із струмом навколо магніту

Його дослідження закінчились у 1831 році відкриттям електромагнітної індукції Він вивів її основний закон зrsquoясував залежність індукційного струму від магнітних властивостей середовища дослідив явище самоіндукції

Намагаючись установити кількісні співвідношення між різними видами електрики Фарадей почав дослідження з електролізу відкрив його закони (1833 ndash 34) і ввів термінологію в цій області яка збереглася дотепер В 1840 році ще до відкриття закону збереження енергії Фарадей висловив думку про єдність ldquoсилrdquo природи (різних видів енергії) і їх взаємному перетворенні Він ввів уявлення про силові лінії які вважав фізично існуючими

12 25

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

настільки що енергії теплових співударів буде достатньо щоб відокремити іони один від одного Отже у процесі взаємодії молекул солей кислот та лугів з молекулами розчинника утворюють позитивно заряджені іони ndash катіони і негативно заряджені іони ndash аніони

Процес розпаду молекул розчиненої речовини на іони обох знаків під дією розчинника називається електролітичною дисоціацією

Одночасно з дисоціацією внаслідок співударів відбувається і зворотній процес сполучення різнойменно заряджених іонів у нейтральні молекули Цей процес називають молізацією (рекомбінацією)

Кількісною характеристикою електролітичної дисоціації є ступінь дисоціації α―це число яке показує яка частина молекул розчиненої речовини розпалася на іони

Отже згідно теорії електролітичної дисоціації в розчинах солей кислот та лугів та розплавах солей завжди є вільні іони обох знаків

2 Електричний струм в електролітах

Якщо електроліт не внесено в зовнішнє електричне поле то

іони і молекули будуть рухатися хаотично Якщо ж в електроліті створити електричне поле приклавши напругу до електродів вміщених у електроліт то крім хаотичного теплового руху молекул в електроліті зrsquoявляється напрямлений рух іонів Іони ldquo+rdquo (катіони) рухаються до катода а іони ldquondashldquo― до анода Дійшовши до відповідних електродів іони віддають їм свої заряди і ставши звичайними молекулами чи атомами виділяються на електродах або вступають у хімічні реакції

(Аналіз схеми руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 за малюнком 3)

Проаналізуємо схему руху іонів у розчині мідного купоросу CuSO4 При проходженні струму через розчин мідного купоросу відбувається слідуючий процес Позитивні іони Cu2+ при зіткненні з катодом отримують електрони яких їм не вистачає і виділяються на катоді у вигляді нейтральних атомів Негативні іони SO4

2 ndash при зіткненні з анодом віддають зайві електрони Електрони що

8 29

зrsquoявились на аноді по зовнішньому колу переходять на катод і там зrsquoєднуються з позитивними іонами

Отже напрямлений рух іонів обох знаків у електролітах називають електричним струмом в електролітах

Напрямлений рух іонів в електричному полі ви спостерігали на досліді на уроках хімії Нагадаємо цей дослід Змочений розчином якогось безбарвного електроліту наприклад глауберової солі Na2SO4 кухонної солі NaCl тощо фільтрувальний папір кладуть на скло Якщо накидати CuCl2 або K2CrO4 то шматочки розчинятимуться і навколо кожного утворюється забарвлена кругла пляма Але якщо перед тим як кидати шматочки солі опустити на папір два електроди і приєднати їх до джерела постійної напруги то замість круглої плями від кожного шматочка потягнеться кольоровий язичок у напрямі катода тоді коли кольоровими є позитивні іони солі або ж у напрямі анода якщо забарвлення розчину надають негативні іони Цей дослід дає змогу не лише спостерігати рух іонів а й оцінити порядок швидкості напрямленого переміщення іонів

3 Опір електролітів

Електропровідність електролітів є іонною Досліди

показують що електропровідність електролітів зростає з підвищенням температури

Як і в металах в електролітах носії заряду утворюються незалежно від електричного струму Заряд позитивних іонів рівний заряду негативних іонів у кожному обrsquoємі електроліту а тому обrsquoємний заряд електроліту як і металу рівний нулю

Поняття електропровідності повrsquoязано з поняттям опору Опір електролітів так як і металів залежить від лінійних

розмірів і роду електроліту тобто S

R lρ= де l ndash віддаль між

електродами а S ndash площа електродів що занурена в електроліт (Пропонуємо студентам розвrsquoязати задачу умова якої подана на екран через кодоскоп)

9 28

З а д а ч а Визначити опір електролітичної ванни яка заповнена 10-

розчином мідного купоросу якщо площа зануреної частини кожного електроду рівна 20 см2 і вони знаходяться один від одного на відстані 5 см ( ρ = 0315 Омmiddotм)

Відповідь R = 79 Ом При підвищенні температури опір електролітів зменшується

на відміну від металів Це відбувається тому що 1) при зростанні температури зростає ступінь дисоціації α 2) при зростанні температури зростає рухливість іонів

4 Явище електролізу Проходження струму через електроліт супроводжується

явищем електролізу Це виділення на електродах речовин що входять до складу електроліту при проходженні струму через електроліт

Нехай наприклад в електролітичну ванну налили електролітndashрозчин сірчаної кислоти у воді Молекули сірчаної кислоти при розчиненні майже повністю дисоціюють H2SO4rarr2H++SO4

2ndash При проходженні електричного струму через розчин на катоді

виділяється атомарний водень на аноді ndash молекули SO4 Це результати електролізу Далі починаються вторинні реакції під час електролізу атомарний водень сполучається в молекули 2НrarrН2uarr Нестійкі молекули SO4 розпадаються SO4rarr SO3+О Атоми кисню зrsquoєднуються в молекули2ОrarrО2uarr Молекули SO3 взаємодіють з водоюа утворені молекули сірчаної кислоти дисоціюють

SO3+Н2Оrarr H2SO4rarr2H++SO42ndash

В результаті вторинних реакцій відновлюється концентрація іонів в розчині виділяються на електродах гази водню і кисню в пропорціях в яких ці елементи входять до склад води Фактично відбувається процес розпаду води на водень та кисень

Явище електролізу характеризує хімічну дію струму Це явище може бути з виділенням речовини на обох

електродах або із розчиненням анода У наведеному вище прикладі речовина виділяється на обох

електродах Виділення речовини на обох електродах відбувається

10 27

при неактивному аноді який не розчиняється в електроліті У нашому прикладі пластини не реагують з електролітом У техніці для такого електролізу найчастіше користуються вугільними або графітовими електродами

Демонстрація 3 В скляну електролітичну ванну наливаємо

20 ndash 30 розчин CuSO4 і занурюємо в нього два вугільних електроди Складаємо коло з джерела струму на 220 В вимикача скляної електролітичної ванни в яку опущені два вугільні електроди та електролампи потужністю 40 ndash 60 Вт Пропускаючи струм протягом 2 ndash3 хвилин виймаємо з ванни катод на якому за цей час відкладається шар міді який гарно видно навіть у великій аудиторії Після цього занурюємо електрод назад у ванну і змінюємо напрям струму на протилежний Через декілька хвилин шар міді на електроді який тепер служить анодом розчиниться електрод знову стане чорним а на другому електроді який тепер став катодом відложиться шар міді

Вище було сказано що речовина під час електролізу не завжди виділяється на обох електродах Якщо в електролітичну ванну налити розчин солі тієї речовини з якої виготовлено анод то речовина виділяється лише на катоді а анод розчиняється У цьому разі анод називають активним бо він реагує з електролітом Як приклад такого електролізу розглянемо очищення срібла від сторонніх домішок яке називають рафінуванням

У ванну з розчином азотнокислого срібла опускають срібні електроди і зrsquoєднують їх з батареєю Катодом є тонка срібна пластина анодом ndash товста пластина з срібла що має домішки Під час електролізу срібло переноситься з анода на катод а домішки осідають на дно ванни Зrsquoясуємо це явище

Молекули азотнокислого срібла дисоціюють rarr AgNO3 larr Ag++NO3ˉ

Під час електролізу іони срібла прямують до катода і одержують від нього електрон а нейтральні атоми срібла осідають на катоді тобто маса катода зростає До анода прямують іони NO3ˉ де сполучаються з одним з іонів срібла які перейшли з анода в розчин Отже маса анода під час електролізу поступово зменшується а концентрація розчину у ванні не змінюється доти

11 26

доки анод не розчиниться повністю Явище електролізу було вперше відкрито в 1800 році

Але лише в 1833 році М Фарадей установив закони електролізу

5 Закони Фарадея

Історична довідка (див малюнок 4) Майкл Фарадей (22091791 ndash 25081867) народився в сімrsquoї коваля Навчався в початковій школі потім в 14 років потрапив на навчання до хазяїна книжної лавки і майстерні де переплітали книги Займався самоосвітою відвідував публічні лекції а саме лекції Г Дєві в Королівському інституті Лондона який зіграв велику роль в рішенні Фарадея присвятити себе науці В 1813 році й2ого прийняли на роботу в Королівський інститут де він працював під керівництвом Дєві В 1813 ndash 1815 роках подорожуючи разом з Дєві по Європі Фарадей відвідав лабораторії Франції та Італії Спочатку Майкл допомагав Дєві в хімічних експериментах потім почав самостійні дослідження з хімії Самі найважливіші з них ndash отримання бензолу зрідження хлору Ставши відомим у наукових колах в 1825 році Фарадей стає директором лабораторії в 1827 ndash професором Королівського інституту

Ознайомившись з роботою Х Ерстеда про відхилення магнітних стрілок поблизу провідника із струмом Фарадей почав займатися дослідженням звrsquoязку між електричними і магнітними явищами і в 1821 році виявив обертання магніту навколо провідника з струмом і обертання провідника із струмом навколо магніту

Його дослідження закінчились у 1831 році відкриттям електромагнітної індукції Він вивів її основний закон зrsquoясував залежність індукційного струму від магнітних властивостей середовища дослідив явище самоіндукції

Намагаючись установити кількісні співвідношення між різними видами електрики Фарадей почав дослідження з електролізу відкрив його закони (1833 ndash 34) і ввів термінологію в цій області яка збереглася дотепер В 1840 році ще до відкриття закону збереження енергії Фарадей висловив думку про єдність ldquoсилrdquo природи (різних видів енергії) і їх взаємному перетворенні Він ввів уявлення про силові лінії які вважав фізично існуючими

12 25

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

зrsquoявились на аноді по зовнішньому колу переходять на катод і там зrsquoєднуються з позитивними іонами

Отже напрямлений рух іонів обох знаків у електролітах називають електричним струмом в електролітах

Напрямлений рух іонів в електричному полі ви спостерігали на досліді на уроках хімії Нагадаємо цей дослід Змочений розчином якогось безбарвного електроліту наприклад глауберової солі Na2SO4 кухонної солі NaCl тощо фільтрувальний папір кладуть на скло Якщо накидати CuCl2 або K2CrO4 то шматочки розчинятимуться і навколо кожного утворюється забарвлена кругла пляма Але якщо перед тим як кидати шматочки солі опустити на папір два електроди і приєднати їх до джерела постійної напруги то замість круглої плями від кожного шматочка потягнеться кольоровий язичок у напрямі катода тоді коли кольоровими є позитивні іони солі або ж у напрямі анода якщо забарвлення розчину надають негативні іони Цей дослід дає змогу не лише спостерігати рух іонів а й оцінити порядок швидкості напрямленого переміщення іонів

3 Опір електролітів

Електропровідність електролітів є іонною Досліди

показують що електропровідність електролітів зростає з підвищенням температури

Як і в металах в електролітах носії заряду утворюються незалежно від електричного струму Заряд позитивних іонів рівний заряду негативних іонів у кожному обrsquoємі електроліту а тому обrsquoємний заряд електроліту як і металу рівний нулю

Поняття електропровідності повrsquoязано з поняттям опору Опір електролітів так як і металів залежить від лінійних

розмірів і роду електроліту тобто S

R lρ= де l ndash віддаль між

електродами а S ndash площа електродів що занурена в електроліт (Пропонуємо студентам розвrsquoязати задачу умова якої подана на екран через кодоскоп)

9 28

З а д а ч а Визначити опір електролітичної ванни яка заповнена 10-

розчином мідного купоросу якщо площа зануреної частини кожного електроду рівна 20 см2 і вони знаходяться один від одного на відстані 5 см ( ρ = 0315 Омmiddotм)

Відповідь R = 79 Ом При підвищенні температури опір електролітів зменшується

на відміну від металів Це відбувається тому що 1) при зростанні температури зростає ступінь дисоціації α 2) при зростанні температури зростає рухливість іонів

4 Явище електролізу Проходження струму через електроліт супроводжується

явищем електролізу Це виділення на електродах речовин що входять до складу електроліту при проходженні струму через електроліт

Нехай наприклад в електролітичну ванну налили електролітndashрозчин сірчаної кислоти у воді Молекули сірчаної кислоти при розчиненні майже повністю дисоціюють H2SO4rarr2H++SO4

2ndash При проходженні електричного струму через розчин на катоді

виділяється атомарний водень на аноді ndash молекули SO4 Це результати електролізу Далі починаються вторинні реакції під час електролізу атомарний водень сполучається в молекули 2НrarrН2uarr Нестійкі молекули SO4 розпадаються SO4rarr SO3+О Атоми кисню зrsquoєднуються в молекули2ОrarrО2uarr Молекули SO3 взаємодіють з водоюа утворені молекули сірчаної кислоти дисоціюють

SO3+Н2Оrarr H2SO4rarr2H++SO42ndash

В результаті вторинних реакцій відновлюється концентрація іонів в розчині виділяються на електродах гази водню і кисню в пропорціях в яких ці елементи входять до склад води Фактично відбувається процес розпаду води на водень та кисень

Явище електролізу характеризує хімічну дію струму Це явище може бути з виділенням речовини на обох

електродах або із розчиненням анода У наведеному вище прикладі речовина виділяється на обох

електродах Виділення речовини на обох електродах відбувається

10 27

при неактивному аноді який не розчиняється в електроліті У нашому прикладі пластини не реагують з електролітом У техніці для такого електролізу найчастіше користуються вугільними або графітовими електродами

Демонстрація 3 В скляну електролітичну ванну наливаємо

20 ndash 30 розчин CuSO4 і занурюємо в нього два вугільних електроди Складаємо коло з джерела струму на 220 В вимикача скляної електролітичної ванни в яку опущені два вугільні електроди та електролампи потужністю 40 ndash 60 Вт Пропускаючи струм протягом 2 ndash3 хвилин виймаємо з ванни катод на якому за цей час відкладається шар міді який гарно видно навіть у великій аудиторії Після цього занурюємо електрод назад у ванну і змінюємо напрям струму на протилежний Через декілька хвилин шар міді на електроді який тепер служить анодом розчиниться електрод знову стане чорним а на другому електроді який тепер став катодом відложиться шар міді

Вище було сказано що речовина під час електролізу не завжди виділяється на обох електродах Якщо в електролітичну ванну налити розчин солі тієї речовини з якої виготовлено анод то речовина виділяється лише на катоді а анод розчиняється У цьому разі анод називають активним бо він реагує з електролітом Як приклад такого електролізу розглянемо очищення срібла від сторонніх домішок яке називають рафінуванням

У ванну з розчином азотнокислого срібла опускають срібні електроди і зrsquoєднують їх з батареєю Катодом є тонка срібна пластина анодом ndash товста пластина з срібла що має домішки Під час електролізу срібло переноситься з анода на катод а домішки осідають на дно ванни Зrsquoясуємо це явище

Молекули азотнокислого срібла дисоціюють rarr AgNO3 larr Ag++NO3ˉ

Під час електролізу іони срібла прямують до катода і одержують від нього електрон а нейтральні атоми срібла осідають на катоді тобто маса катода зростає До анода прямують іони NO3ˉ де сполучаються з одним з іонів срібла які перейшли з анода в розчин Отже маса анода під час електролізу поступово зменшується а концентрація розчину у ванні не змінюється доти

11 26

доки анод не розчиниться повністю Явище електролізу було вперше відкрито в 1800 році

Але лише в 1833 році М Фарадей установив закони електролізу

5 Закони Фарадея

Історична довідка (див малюнок 4) Майкл Фарадей (22091791 ndash 25081867) народився в сімrsquoї коваля Навчався в початковій школі потім в 14 років потрапив на навчання до хазяїна книжної лавки і майстерні де переплітали книги Займався самоосвітою відвідував публічні лекції а саме лекції Г Дєві в Королівському інституті Лондона який зіграв велику роль в рішенні Фарадея присвятити себе науці В 1813 році й2ого прийняли на роботу в Королівський інститут де він працював під керівництвом Дєві В 1813 ndash 1815 роках подорожуючи разом з Дєві по Європі Фарадей відвідав лабораторії Франції та Італії Спочатку Майкл допомагав Дєві в хімічних експериментах потім почав самостійні дослідження з хімії Самі найважливіші з них ndash отримання бензолу зрідження хлору Ставши відомим у наукових колах в 1825 році Фарадей стає директором лабораторії в 1827 ndash професором Королівського інституту

Ознайомившись з роботою Х Ерстеда про відхилення магнітних стрілок поблизу провідника із струмом Фарадей почав займатися дослідженням звrsquoязку між електричними і магнітними явищами і в 1821 році виявив обертання магніту навколо провідника з струмом і обертання провідника із струмом навколо магніту

Його дослідження закінчились у 1831 році відкриттям електромагнітної індукції Він вивів її основний закон зrsquoясував залежність індукційного струму від магнітних властивостей середовища дослідив явище самоіндукції

Намагаючись установити кількісні співвідношення між різними видами електрики Фарадей почав дослідження з електролізу відкрив його закони (1833 ndash 34) і ввів термінологію в цій області яка збереглася дотепер В 1840 році ще до відкриття закону збереження енергії Фарадей висловив думку про єдність ldquoсилrdquo природи (різних видів енергії) і їх взаємному перетворенні Він ввів уявлення про силові лінії які вважав фізично існуючими

12 25

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

З а д а ч а Визначити опір електролітичної ванни яка заповнена 10-

розчином мідного купоросу якщо площа зануреної частини кожного електроду рівна 20 см2 і вони знаходяться один від одного на відстані 5 см ( ρ = 0315 Омmiddotм)

Відповідь R = 79 Ом При підвищенні температури опір електролітів зменшується

на відміну від металів Це відбувається тому що 1) при зростанні температури зростає ступінь дисоціації α 2) при зростанні температури зростає рухливість іонів

4 Явище електролізу Проходження струму через електроліт супроводжується

явищем електролізу Це виділення на електродах речовин що входять до складу електроліту при проходженні струму через електроліт

Нехай наприклад в електролітичну ванну налили електролітndashрозчин сірчаної кислоти у воді Молекули сірчаної кислоти при розчиненні майже повністю дисоціюють H2SO4rarr2H++SO4

2ndash При проходженні електричного струму через розчин на катоді

виділяється атомарний водень на аноді ndash молекули SO4 Це результати електролізу Далі починаються вторинні реакції під час електролізу атомарний водень сполучається в молекули 2НrarrН2uarr Нестійкі молекули SO4 розпадаються SO4rarr SO3+О Атоми кисню зrsquoєднуються в молекули2ОrarrО2uarr Молекули SO3 взаємодіють з водоюа утворені молекули сірчаної кислоти дисоціюють

SO3+Н2Оrarr H2SO4rarr2H++SO42ndash

В результаті вторинних реакцій відновлюється концентрація іонів в розчині виділяються на електродах гази водню і кисню в пропорціях в яких ці елементи входять до склад води Фактично відбувається процес розпаду води на водень та кисень

Явище електролізу характеризує хімічну дію струму Це явище може бути з виділенням речовини на обох

електродах або із розчиненням анода У наведеному вище прикладі речовина виділяється на обох

електродах Виділення речовини на обох електродах відбувається

10 27

при неактивному аноді який не розчиняється в електроліті У нашому прикладі пластини не реагують з електролітом У техніці для такого електролізу найчастіше користуються вугільними або графітовими електродами

Демонстрація 3 В скляну електролітичну ванну наливаємо

20 ndash 30 розчин CuSO4 і занурюємо в нього два вугільних електроди Складаємо коло з джерела струму на 220 В вимикача скляної електролітичної ванни в яку опущені два вугільні електроди та електролампи потужністю 40 ndash 60 Вт Пропускаючи струм протягом 2 ndash3 хвилин виймаємо з ванни катод на якому за цей час відкладається шар міді який гарно видно навіть у великій аудиторії Після цього занурюємо електрод назад у ванну і змінюємо напрям струму на протилежний Через декілька хвилин шар міді на електроді який тепер служить анодом розчиниться електрод знову стане чорним а на другому електроді який тепер став катодом відложиться шар міді

Вище було сказано що речовина під час електролізу не завжди виділяється на обох електродах Якщо в електролітичну ванну налити розчин солі тієї речовини з якої виготовлено анод то речовина виділяється лише на катоді а анод розчиняється У цьому разі анод називають активним бо він реагує з електролітом Як приклад такого електролізу розглянемо очищення срібла від сторонніх домішок яке називають рафінуванням

У ванну з розчином азотнокислого срібла опускають срібні електроди і зrsquoєднують їх з батареєю Катодом є тонка срібна пластина анодом ndash товста пластина з срібла що має домішки Під час електролізу срібло переноситься з анода на катод а домішки осідають на дно ванни Зrsquoясуємо це явище

Молекули азотнокислого срібла дисоціюють rarr AgNO3 larr Ag++NO3ˉ

Під час електролізу іони срібла прямують до катода і одержують від нього електрон а нейтральні атоми срібла осідають на катоді тобто маса катода зростає До анода прямують іони NO3ˉ де сполучаються з одним з іонів срібла які перейшли з анода в розчин Отже маса анода під час електролізу поступово зменшується а концентрація розчину у ванні не змінюється доти

11 26

доки анод не розчиниться повністю Явище електролізу було вперше відкрито в 1800 році

Але лише в 1833 році М Фарадей установив закони електролізу

5 Закони Фарадея

Історична довідка (див малюнок 4) Майкл Фарадей (22091791 ndash 25081867) народився в сімrsquoї коваля Навчався в початковій школі потім в 14 років потрапив на навчання до хазяїна книжної лавки і майстерні де переплітали книги Займався самоосвітою відвідував публічні лекції а саме лекції Г Дєві в Королівському інституті Лондона який зіграв велику роль в рішенні Фарадея присвятити себе науці В 1813 році й2ого прийняли на роботу в Королівський інститут де він працював під керівництвом Дєві В 1813 ndash 1815 роках подорожуючи разом з Дєві по Європі Фарадей відвідав лабораторії Франції та Італії Спочатку Майкл допомагав Дєві в хімічних експериментах потім почав самостійні дослідження з хімії Самі найважливіші з них ndash отримання бензолу зрідження хлору Ставши відомим у наукових колах в 1825 році Фарадей стає директором лабораторії в 1827 ndash професором Королівського інституту

Ознайомившись з роботою Х Ерстеда про відхилення магнітних стрілок поблизу провідника із струмом Фарадей почав займатися дослідженням звrsquoязку між електричними і магнітними явищами і в 1821 році виявив обертання магніту навколо провідника з струмом і обертання провідника із струмом навколо магніту

Його дослідження закінчились у 1831 році відкриттям електромагнітної індукції Він вивів її основний закон зrsquoясував залежність індукційного струму від магнітних властивостей середовища дослідив явище самоіндукції

Намагаючись установити кількісні співвідношення між різними видами електрики Фарадей почав дослідження з електролізу відкрив його закони (1833 ndash 34) і ввів термінологію в цій області яка збереглася дотепер В 1840 році ще до відкриття закону збереження енергії Фарадей висловив думку про єдність ldquoсилrdquo природи (різних видів енергії) і їх взаємному перетворенні Він ввів уявлення про силові лінії які вважав фізично існуючими

12 25

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

при неактивному аноді який не розчиняється в електроліті У нашому прикладі пластини не реагують з електролітом У техніці для такого електролізу найчастіше користуються вугільними або графітовими електродами

Демонстрація 3 В скляну електролітичну ванну наливаємо

20 ndash 30 розчин CuSO4 і занурюємо в нього два вугільних електроди Складаємо коло з джерела струму на 220 В вимикача скляної електролітичної ванни в яку опущені два вугільні електроди та електролампи потужністю 40 ndash 60 Вт Пропускаючи струм протягом 2 ndash3 хвилин виймаємо з ванни катод на якому за цей час відкладається шар міді який гарно видно навіть у великій аудиторії Після цього занурюємо електрод назад у ванну і змінюємо напрям струму на протилежний Через декілька хвилин шар міді на електроді який тепер служить анодом розчиниться електрод знову стане чорним а на другому електроді який тепер став катодом відложиться шар міді

Вище було сказано що речовина під час електролізу не завжди виділяється на обох електродах Якщо в електролітичну ванну налити розчин солі тієї речовини з якої виготовлено анод то речовина виділяється лише на катоді а анод розчиняється У цьому разі анод називають активним бо він реагує з електролітом Як приклад такого електролізу розглянемо очищення срібла від сторонніх домішок яке називають рафінуванням

У ванну з розчином азотнокислого срібла опускають срібні електроди і зrsquoєднують їх з батареєю Катодом є тонка срібна пластина анодом ndash товста пластина з срібла що має домішки Під час електролізу срібло переноситься з анода на катод а домішки осідають на дно ванни Зrsquoясуємо це явище

Молекули азотнокислого срібла дисоціюють rarr AgNO3 larr Ag++NO3ˉ

Під час електролізу іони срібла прямують до катода і одержують від нього електрон а нейтральні атоми срібла осідають на катоді тобто маса катода зростає До анода прямують іони NO3ˉ де сполучаються з одним з іонів срібла які перейшли з анода в розчин Отже маса анода під час електролізу поступово зменшується а концентрація розчину у ванні не змінюється доти

11 26

доки анод не розчиниться повністю Явище електролізу було вперше відкрито в 1800 році

Але лише в 1833 році М Фарадей установив закони електролізу

5 Закони Фарадея

Історична довідка (див малюнок 4) Майкл Фарадей (22091791 ndash 25081867) народився в сімrsquoї коваля Навчався в початковій школі потім в 14 років потрапив на навчання до хазяїна книжної лавки і майстерні де переплітали книги Займався самоосвітою відвідував публічні лекції а саме лекції Г Дєві в Королівському інституті Лондона який зіграв велику роль в рішенні Фарадея присвятити себе науці В 1813 році й2ого прийняли на роботу в Королівський інститут де він працював під керівництвом Дєві В 1813 ndash 1815 роках подорожуючи разом з Дєві по Європі Фарадей відвідав лабораторії Франції та Італії Спочатку Майкл допомагав Дєві в хімічних експериментах потім почав самостійні дослідження з хімії Самі найважливіші з них ndash отримання бензолу зрідження хлору Ставши відомим у наукових колах в 1825 році Фарадей стає директором лабораторії в 1827 ndash професором Королівського інституту

Ознайомившись з роботою Х Ерстеда про відхилення магнітних стрілок поблизу провідника із струмом Фарадей почав займатися дослідженням звrsquoязку між електричними і магнітними явищами і в 1821 році виявив обертання магніту навколо провідника з струмом і обертання провідника із струмом навколо магніту

Його дослідження закінчились у 1831 році відкриттям електромагнітної індукції Він вивів її основний закон зrsquoясував залежність індукційного струму від магнітних властивостей середовища дослідив явище самоіндукції

Намагаючись установити кількісні співвідношення між різними видами електрики Фарадей почав дослідження з електролізу відкрив його закони (1833 ndash 34) і ввів термінологію в цій області яка збереглася дотепер В 1840 році ще до відкриття закону збереження енергії Фарадей висловив думку про єдність ldquoсилrdquo природи (різних видів енергії) і їх взаємному перетворенні Він ввів уявлення про силові лінії які вважав фізично існуючими

12 25

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

доки анод не розчиниться повністю Явище електролізу було вперше відкрито в 1800 році

Але лише в 1833 році М Фарадей установив закони електролізу

5 Закони Фарадея

Історична довідка (див малюнок 4) Майкл Фарадей (22091791 ndash 25081867) народився в сімrsquoї коваля Навчався в початковій школі потім в 14 років потрапив на навчання до хазяїна книжної лавки і майстерні де переплітали книги Займався самоосвітою відвідував публічні лекції а саме лекції Г Дєві в Королівському інституті Лондона який зіграв велику роль в рішенні Фарадея присвятити себе науці В 1813 році й2ого прийняли на роботу в Королівський інститут де він працював під керівництвом Дєві В 1813 ndash 1815 роках подорожуючи разом з Дєві по Європі Фарадей відвідав лабораторії Франції та Італії Спочатку Майкл допомагав Дєві в хімічних експериментах потім почав самостійні дослідження з хімії Самі найважливіші з них ndash отримання бензолу зрідження хлору Ставши відомим у наукових колах в 1825 році Фарадей стає директором лабораторії в 1827 ndash професором Королівського інституту

Ознайомившись з роботою Х Ерстеда про відхилення магнітних стрілок поблизу провідника із струмом Фарадей почав займатися дослідженням звrsquoязку між електричними і магнітними явищами і в 1821 році виявив обертання магніту навколо провідника з струмом і обертання провідника із струмом навколо магніту

Його дослідження закінчились у 1831 році відкриттям електромагнітної індукції Він вивів її основний закон зrsquoясував залежність індукційного струму від магнітних властивостей середовища дослідив явище самоіндукції

Намагаючись установити кількісні співвідношення між різними видами електрики Фарадей почав дослідження з електролізу відкрив його закони (1833 ndash 34) і ввів термінологію в цій області яка збереглася дотепер В 1840 році ще до відкриття закону збереження енергії Фарадей висловив думку про єдність ldquoсилrdquo природи (різних видів енергії) і їх взаємному перетворенні Він ввів уявлення про силові лінії які вважав фізично існуючими

12 25

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

Ідеї Фарадея про електричне і магнітне поля справили великий вплив на розвиток всієї фізики В 1832 році Фарадей висловив думку про те що поширення електромагнітних взаємодій є хвильовий процес що відбувається зі скінченою швидкістю В 1845 році відкрив явища парамагнетизм і діамагнетизм В цьому ж році він відкрив обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея) це був перший звrsquoязок між магнітними і оптичними явищами який пізніше став підтвердженням електромагнітної теорії світла Дж Максвелла Фарадей вивчав також електричні розряди в газах намагаючись зrsquoясувати природу електрики В передмові до свого ldquoТрактату з електрики та магнетизмуrdquo Максвелл писав ldquoПо мере того как я подвигался вперёд в изучении Фарадея я убедился что его способ понимания явлений также имеет математический характер хотя он и не предстаёт нам обличённый в одежду общепринятых математических формулrdquo Імrsquoям Фарадея були названі закони явища одиниці фізичних величин

Багато років потому прекрасний російський фізик Столєтов про великого вченого що подарував життя всім генераторам і динамомашинам світу Майкла Фарадея напише так ldquoНикогда со времён Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий вышедших из одной головы и едва ли скоро увидет другого Фарадеяrdquo

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку тобто встановимо залежність між кількістю речовини яка виділяється при електролізі на електродах і кількістю електрики (зарядом) яка пройшла через електроліт Вона безпосередньо випливає з іонного характеру провідності електролітів

Нехай за час t через електроліт проходить кількість електрики q Заряд одного іона q0=ne де n ndash валентність іона а е ndash елементарний електричний заряд Кількість n0 іонів які досягли електрода за час t (а значить і кількість атомів які виділилися на

електроді) дорівнює enq

qqn ==0

0 Масу m речовини яка

виділилася на електродах можна визначити за формулою

iі menqnmm == 0 де m ndash маса іона

13 24

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

Маса атома або молекули які утворюються внаслідок нейтралізації іона істотно не відрізняються від маси іона тобто mі=ma Масу одного атома (молекули) даної речовини можна визначити на основі закону Авогадро

aNMm =0 де М ndash молярна маса речовини а Nа ndash стала

Авогадро Отже 1 qnM

eNm

asdot=

Для даної речовини величина nM

eNa

sdot=1

κ стала

На основі проведених вище міркувань можна записати і сформулювати закони електролізу

I закон електролізу Фарадея ndash маса m речовини що виділяється на кожному електроді під

час електролізу прямопропорційна електричному заряду що

пройшов через електроліт ItmtqI

qm κκ = rarr=

= де κ ndash електрохімічний еквівалент речовини I ndash сила струму що

проходить через електроліт t ndash час проходження струму [κ] = Клкг

(Аналіз досліду що підтверджує I закон електролізу за малюнком 5) Пересвідчимося у справедливості першого закону Фарадея на

досліді схема якого показана на малюнку 5 Всі три електролітичні ванни заповнено одним і тим самим розчином електроліту але струми що проходять через них різні Позначимо ці струми через I1 I2 I3 тоді I1=I2+I3 Вимірявши маси m1 m2 m3 виділеної на електродах речовини у різних ваннах отримали m1=m2+m3 тобто маси речовин у ваннах пропорційні величинам відповідних струмів I1 I2 I3

II закон електролізу Фарадея Електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний

молярній масі речовини М і обернено пропорційний її валентності n

Додатки

14 23

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

nM

Fsdot=

1κ де F ndash стала Фарадея

Обrsquoєднаний закон

tInM

Fmабоq

nM

Fm sdotsdotsdot=sdotsdot=

11

Зrsquoясуємо фізичний зміст сталої Фарадея Із обrsquoєднаного закону випливає що стала Фарадея F дорівнює заряду який треба пропустити через розчин електроліту щоб виділилась на електроді маса речовини що дорівнює хімічному еквіваленту

Цей заряд переносять іони кількість яких в масі речовини

яка дорівнює хімічному еквіваленту nM складає

nNa де Na ndash стала

Авогадро Число Фарадея n

NqF asdot= 0 де q0 ndash заряд іона тому

F=965 middot 104мольКл

6 Визначення заряду одновалентного іона На основі законів Фарадея можна визначити заряд

одновалентного іона Кількість електрики що дорівнює числу Фарадея F виділяє на електродах 1 моль речовини У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок яка дорівнює числу Авогадро Na Тому F=eNa або

Клмоль

мольКлNFe

a

19123

41061

10023610659 minus

minus sdotasympsdot

sdot==

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд іона відповідає числовому значенню заряду електрона Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення іонів негативний іон утворюється в результаті приєднання до атома електронів позитивний іон утворюється якщо атом втрачає електрони Заряд іона залежить від кількості втрачених або набутих електронів

космічного польоту 4 При яких умовах концентрація електроліту в процесі електролізу залишається постійною Змінюється

5 Як слід поступити коли помилково при виконанні досліду зважена пластина була сполучена з позитивним полюсом джерела струму

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash

sect 89 ndash 91 [2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякіше Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

15 22

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

7 Застосування електролізу 1) Добування вільного фтору хлору та інших елементів 2) Електрометалургія ndash добування металів за допомогою електролізу їх руд Так наприклад алюміній дістають виключно електролізом його розплавленого окису глинозему (Al2O3) в кріоліті Na2AlF6 Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом а анодами ndash вугільні стержні які опускаються в розплав Електроліз ведеться при температурі близько 900ordmС причому висока температура підтримується самим струмом Розплавлений алюміній опускається на дно ящика звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків (див малюнок 6) За допомогою електролізу дістають також натрій магній берилій кальцій та інші елементи

3) Очищення (рафінування) металів У промисловості під час електролізу здійснюється очищення або рафінування металів Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні Електролітом є розчин солі даного металу Добираючи напругу між анодом і катодом можна добитися щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді Домішки ж на катоді не виділяються а випадають на дно посудини у вигляді осаду Це найбільш поширений спосіб очищення міді

4) Гальваностегія Електричне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії Таким є електролітичне сріблення золочіння і платинування покриття хромом і нікелем тощо (див малюнок 7)

5) Гальванопластика ndash електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми Здійснюється це так з предмета спочатку знімають зліпок з воску стеарину гіпсу тощо покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в

Задача 1

Під час дослідного визначення електрохімічного еквівалента міді дістали такі дані час проходження струму 20 хв сила струму 05 А маса катода до досліду 704 г після досліду 7058 г Яке було значення електрохімічного еквівалента міді обчислене за цими даними

Задача 2

Для нікелювання деталі протягом 2 годин через ванну пропускали струм 25 А Електрохімічний еквівалент нікелю 3 middot 10-7 кгКл його густина 8900 кгм3 Яка товщина шару нікелю що виділився на деталі якщо її площа 02 м2

4 Вимкнути коло і визначити час електролізу 5 Знайти m2 ndash масу катоду після електролізу 6 Знайти масу виділеної на катоді міді m=(m2 ndash m1) 7 За першим законом Фарадея визначити електрохімічний еквівалент міді

8 Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю m1 (кг) m2 (кг) m (кг) ∆t (с) I (А) k (кгКл)

9 Обчислити абсолютну і відносну похибки вимірювань

∆k=kт ndash k δk = ∆k kт middot 100

10 Написати висновок

Контрольні запитання

1 Чому молекули солі кислоти та основ в воді розпадаються на іони

2 Чому з підвищенням температури опір електроліту зменшується

16 21

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

електролітичній ванні яка містить розчинену сіль відповідного металу При електролізі метал електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета Цим способом виготовляють друкарські кліше безшовні труби а також інші металеві деталі складної форми (див малюнок 8)

Історична довідка Гальванопластика була винайдена в 1836

р російським вченим Борисом Семеновичем Якобі (див малюнок 9) У листі в Петербурзьку Академію наук від 5 вересня 1839 р прикладаючи новий зразок своєї праці з гальванопластики Якобі писав ldquoСие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне онойrdquo

В 1840 р відкриття Якобі було придбано російським урядом ldquoдля всеобщего обнародования на пользу всей империи а если угодно то и для пользы всего светаrdquo Коли відмічалося 50-річчя гальванопластики Російське технічне товариство опублікувало заяву в якій говорилося що ldquoв истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатанияrdquo

Завдання для закріплення вивченого матеріалу

Задачі література [2] Впр 24 (3) [1] ст 183 впр 4

[2] Вправа 24 (3) t = 5 хв = 300 с Itm κ=∆

I = 12 А Itm∆

=κ [ ]Клкг

сАкг

=sdot

=κ

∆ m = 0119 10-3 кг

=sdotsdot=

=sdot=sdotsdot

=

minusminus

minusminus

34

33

101033

1000033030021101190

κ

67 103301033 minusminus sdot=sdot= κ ndash

Відповідь Клкг71033 minussdot

ndash числове значення електрохімічного еквівалента міді С т у д е н т п о в и н е н в м і т и

ndash складати електричне коло для досліду за схемою поданого в інструкції до роботи

ndash обчислювати за формулою електрохімічний еквівалент речовини за формулою

ndash обчислювати абсолютну і відносну похибки вимірювань

ХІД РОБОТИ

1 Знайти m1 ndash масу катоду до початку електролізу 2 Скласти електричне коло за схемою Після перевірки кола викладачем замкнути ключ і за допомогою реостата встановити силу струму 2 А увімкнути секундомір

Схема електричного кола

А

R

CuSO4

К А

+ ndash ndash +

ndash +

3 Доки проходитиме електроліз розвrsquoязати задачі

17 20

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19

[1] ст 183 впр 4 В електролітичній ванні міститься розчин азотнокислого

срібла Через електроліт проходить струм 1 мА За який час на електроді виділиться 63 1015 атомів срібла I = 10-3 A Itm κ=

N = 63 1015 κImt =

M = 108 10-3кгмоль aa

NNMM

NNMm =sdot==υ

κ = 112 10-6кгКл IN

NMtaκ

=

Na = 6 1023моль-1 [ ] =sdotsdot

=minus А

Клкгмоль

молькг

t1

t ndash

сАкгмоль

сАмолькгАкгмоль

Клмолькг=

sdotsdot

sdotsdotsdot=

sdotsdotsdotsdot

= =sdotsdotsdotsdot

sdotsdotsdot=

minusminus

minus

3623

315

1010121106

101081036t

с0111025101 2 =sdot minus Відповідь 101 с

Контрольні запитання

1) Які речовини є електролітами 2) Що таке електролітична дисоціація Чим вона характеризується

3) Що відбувається в електроліті який не внесено у зовнішнє електричне поле Який внесений в зовнішнє електричне поле

4) Що таке струм в електролітах 5) Якою є провідність електролітів 6) Як створити електричне поле в електроліті

7) Що таке електроліз 8) I II обrsquoєднаний закони електролізу 9) Застосування електролізу 10) [2] sect 83 ndash 85 Впр 24 (1 2)

Рекомендована література

[1] Дмитрієва В Ф Фізика Київ ldquoВища школаrdquo 1992 р ndash sect 89 ndash 91

[2] Гончаренко С У Фізика 10 Київ ldquoОсвітаrdquo 1996 р [3] Мrsquoякішев Г Я Буховцев Б Б Фізика 10 Київ ldquoРадянська школаrdquo 1992 ndash sect 79 80

[4] Жданов Л С Жданов Г Л Фізика Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів Київ ldquoВища школаrdquo 1983

[5] Иверонова В И Лекционные демонстрации по физике ndash Москва ldquoНаукаrdquo 1972

[6] Пёрышкин А В Курс физики ndash Москва ldquoПросвещениеrdquo 1964

Л А Б О Р А ТО Р Н А Р О Б О Т А

Т е м а р о б о т и Визначення електрохімічного еквіваленту міді

М е т а р о б о т и Ознайомитися на досліді з електролізом і першим законом Фарадея Визначити на досліді електрохімічний еквівалент міді

П р и л а д и і м а т е р і а л и вольтметр амперметр реостат джерело струму ключ секундомір зrsquoєднувальні проводи електролітична ванна з електродами

С т у д е н т п о в и н е н з н а т и ndash формування I першого закону електролізу ndash формулу що його описує ndash обчислення кількості електрики що переноситься через електроліт за певний час

ndash формулу для обчислення електрохімічного еквівалента речовини

ndash одиниці вимірювання електрохімічного еквівалента речовини

18 19