«Слідами Фарадея»: дослідження явища електролізу

Блок 1. Резюме

Проект присвячено вивченню явища електролізу розчинів.

Мета роботи: виготовити прилад для дослідження явища електролізу розчинів із вимірюванням кількості утвореного під час процесу газу та дослідити за його допомогою залежність між масою виділеної речовини та часом.

Завдання роботи:

1. Виготовити прилад для збирання газу в процесі електролізу розчину.
2. Установити залежність між масою виділеного в процесі електролізу газу та часом, упродовж якого триває процес за постійного значення струму; побудувати цю залежність у вигляді графіка з використанням інструментів математичних таблиць.

Блок 2. Попередня інформація

Електроліз — це явище розкладання речовин, наявних у розчинах або розплавах, та їх подальше відновлення на електродах при проходженні електричного струму. Процес електролізу спричиняє сукупність хімічних реакцій, що відбуваються під дією електричного струму на електродах, занурених в електроліт. Електролітом виступає рідке середовище – розчин або розплав.

Явище електролізу водних розчинів відкрили 1800 року англійські дослідники Нікольсон і Карлейл. Вони встановили, що під час проходження постійного струму у воді чи водних розчинах вода розкладається на водень і кисень.

Ґрунтовне дослідження цього явища провів Майкл Фарадей 1833 року. Під час дослідження він виділив первинні реакції, що відбуваються у вигляді дисоціації речовин у розчиннику, і вторинні реакції, що відбуваються на електродах при проходженні струму. Надалі він установив кількісні закони, які описують явище. Перший закон стосувався маси речовини, що виділяється на електродах. У сучасному тлумаченні цей закон формулюється так:  маса речовини m, що виділяється на кожному з електродів, прямо пропорційна зарядові q, який пройшов крізь електроліт, тобто

 (1),

де k — електрохімічний еквівалент, неоднаковий для різних речовин. Якщо крізь електроліт проходить постійний електричний струм I протягом часу t, то q = It і рівняння (1) записують у вигляді

(2).

Другий закон Фарадея пов’язує електрохімічний еквівалент k із відношенням атомної маси речовини A до її валентності z і записується так:

  (3),

де F – константа, що називається сталою Фарадея і дорівнює 96485,3365(21) Кл/моль.

Ця робота присвячена перевірці першого закону Фарадея на прикладі електролізу водного розчину гідрокарбонату натрію (харчової соди). У процесі електролізу розчину у вторинній реакції, що відбувається на негативному електроді, буде виділятися водень. Об’єм газу та його маса пов’язані прямою залежністю:

 (4),

де ρ – густина газу за даного тиску. Якщо створити умови, за яких тиск газу залишатиметься постійним, між об’ємом виділеного газу та зарядом, що пройшов крізь розчин, існуватиме пряма залежність. Дібравши умови експерименту, за яких струм, що проходить через розчин, теж залишатиметься сталим, можна відстежити пряму залежність між об’ємом газу та часом проходження струму:

 (5).

Для стабілізації струму використаємо джерело стабілізованої напруги та електрод із постійною контактною площею. Ще однією важливою передумовою є хімічна інертність електродів щодо розчину. Тому в процесі конструювання пристрою для досліду пропонується використовувати графітові стрижні, які будуть вилучені з олівця.

Блок 3. Обладнання

ПК, одноразовий шприц (2 мл), олівець, ніж, джерело постійної напруги у 5 В (USB-вихід power bank або подовжувачів), з’єднувальні провідники з контактами типу «крокодил», лак для нігтів, клейовий пістолет, склянка з водою, харчова сода, кристалізатор, штатив, секундомір, лінійка, сірники або запальничка.

Програмне забезпечення: Excel.

Основні терміни та поняття

Електропровідність електролітів. Закони Фарадея

Блок 4. Експериментальна процедура

Частина 1

Згідно з вимогами до проведення дослідження, спочатку необхідно виготовити пристрій, що відповідатиме критеріям, зазначеним у попередній інформації. Основу пристрою становитиме одноразовий шприц об’ємом 2 мл з видаленим поршнем.

Головна ідея пристрою в тому, що шприц буде використовуватися як ємність для нагромадження водню. Об’єм виділеного газу можна вимірювати за шкалою, нанесеною на його поверхню. Для створення електроду використаємо графітовий стрижень звичайного простого олівця. Стрижень помістимо у впускний отвір шприца і герметизуємо за допомогою клейового пістолету. Щоб забезпечити сталу контактну площу між електродом і розчином, частину стрижня (до поділки 2 мл) вкриємо лаком для нігтів. Провідною частиною стрижня залишається тільки вільна частина від зрізу шприца до помітки 2 мл. Другим електродом виступатиме друга половина графітового стрижня від того самого олівця.

Отже, для початку роботи маємо підготувати таке обладнання: одноразовий шприц, канцелярський ніж, олівець, клейовий пістолет і лак для нігтів.

Розділимо олівець уздовж його графітового стрижня та відділимо стрижень. Помістимо стрижень у шприц до його зрізу й акуратно розділимо його так, щоб над вихідним отвором шприца залишився шматок в 1 см. Витягнемо стрижень.

Використовуючи лак для нігтів, покриємо частину стрижня, залишивши вільним тільки відрізок, який дорівнює відстані від зрізу шприца до помітки 2 мл, та відрізок, що виступає з випускного отвору. Покриття бажано зробити декілька разів. Коли лакове покриття висохне, вмістимо стрижень всередину шприца та загерметизуємо його випускний отвір клейовим пістолетом. Пристрій готовий до використання.

Частина 2

Установіть на столі штатив з муфтою та лапкою. Установіть на столі кристалізатор під лапкою штативу та приготуйте джерело стабілізованої напруги 5 В.

У математичних таблицях побудуйте таблицю, наведену у описі роботи.

За допомогою другою склянки підготуйте електроліт. Для цього в об’ємі 100 мл води розчиніть чайну ложку харчової соди. Після повного розчинення вилийте розчин у кристалізатор.

Охопивши двома пальцями виготовлений пристрій, прикрийте зріз шприца та відкрийте його, зануривши горизонтально в розчин. Заповніть весь об’єм шприца розчином та переведіть пристрій у вертикальне положення, не видаляючи нижню частину з розчину. Завдяки атмосферному тиску розчин не витікатиме зі шприца.

Відрегулюйте лапку штатива так, щоб вона охопила верхню частину пристрою, і закріпіть пристрій. Приєднайте негативний вихід джерела струму до стрижня всередині шприца. До другого виходу приєднайте інший шматок графітового стрижня.

Увімкніть джерело струму. Увімкніть секундомір, одночасно вмістивши в розчин другий графітовий електрод. Явище електролізу одразу стане помітним за виділенням бульбашок всередині шприца. Кожну наступну хвилину вимірюйте об’єм виділеного газу та занотовуйте до таблиць. Увесь шприц до помітки 2 мл має бути заповнений протягом 10-15 хв. Вимкніть джерело струму.

Блок 5. Аналіз отриманих даних

Від’єднайте провідники від електродів і, акуратно закривши пальцем отвір на зрізі шприца, звільніть його з лапки штатива. Для перевірки газу, що нагромадився в шприці, піднесіть відкрите полум’я сірника або запальнички до відкритого зрізу. Відчувши невеликий хлопок, переконайтеся, що це водень.

Розрахуйте реальний об’єм газу для кожного моменту часу V, віднявши від показу шкали шприца V_ш об’єм частини графітового стрижня, що був на той момент всередині нього V_ст. Інструментами математичних таблиць побудуйте графічну залежність між реальним об’ємом газу V та часом його виділення t. Зробіть висновок стосовно проведеного дослідження.

Таблиця результатів

Блок 6. Напрями розвитку

Запропонуйте методи встановлення залежності виділеної маси газу від струму, атомної маси та валентності речовини.