Номер 1, страница 207, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Задания для проектно-исследовательской деятельности. Глава VIII. Постоянный электрический ток - номер 1, страница 207.

Условие.

Глава VIII. Постоянный электрический ток

1. Химическое действие тока

Цель: исследовать на опыте явление электролиза.

Возьмите пол-литра 10 %-го раствора медного купороса (его можно купить в магазине химреактивов, химикатов или в магазине для садоводов). Из использованных батареек $^{1)}$ аккуратно извлеките два угольных стержня с металлическими колпачками — они будут играть роль электродов.

Возьмите пол-литровую банку с полиэтиленовой крышкой. Сделайте в крышке два отверстия, в которые должны плотно входить электроды, чтобы они надёжно держались в крышке. Соедините электроды с полюсами новой плоской батарейки, подключив последовательно с ними лампочку от карманного фонаря (она будет указывать на наличие тока и в то же время ограничивать силу тока, чтобы избежать чрезмерного нагревания).

Пропускайте ток через электролит в течение 15 мин. Разомкните цепь, выньте электроды из банки и промойте их водой.

Опишите, какие изменения произошли с электродами. Сделайте фотографию. Объясните результаты своего опыта.

Для второго опыта измените полярность подключения электродов. Половину покрытого слоем меди электрода плотно заклейте прозрачным скотчем. Повторите опыт, уменьшив его продолжительность до 10 мин. Объясните полученный результат.

Решение 2.

Решение

Описанный в задаче опыт демонстрирует явление электролиза – физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ, который возникает при прохождении электрического тока через раствор электролита. В данном случае электролитом является водный раствор медного купороса ($CuSO_4$). При растворении в воде сульфат меди (II) диссоциирует на ионы:

$CuSO_4 \rightleftharpoons Cu^{2+} + SO_4^{2-}$

Также в растворе в небольшом количестве присутствуют ионы, образующиеся в результате диссоциации воды: $H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$.

При подключении источника тока к электродам, опущенным в раствор, положительно заряженные ионы (катионы $Cu^{2+}$ и $H^+$) начинают двигаться к отрицательно заряженному электроду (катоду), а отрицательно заряженные ионы (анионы $SO_4^{2-}$ и $OH^-$) – к положительно заряженному электроду (аноду).

Опишите, какие изменения произошли с электродами. Объясните результаты своего опыта.

При пропускании тока через раствор в течение 15 минут произойдут следующие изменения:

1. Электрод, подключенный к отрицательному полюсу батарейки (катод), покроется слоем металла характерного красновато-розового цвета. Это чистая медь.

2. На электроде, подключенном к положительному полюсу батарейки (аноде), будут наблюдаться выделяющиеся пузырьки газа (кислорода).

Объяснение:

К катоду (отрицательному электроду) притягиваются положительно заряженные ионы меди $Cu^{2+}$. Они получают от катода два электрона ($2e^-$), восстанавливаются до нейтральных атомов меди ($Cu$) и оседают на поверхности электрода в виде металлического покрытия. Протекает реакция:

$Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$

К аноду (положительному электроду) движутся отрицательно заряженные ионы $SO_4^{2-}$ и $OH^-$. Поскольку угольные электроды являются инертными (не расходуются в процессе), на аноде будет происходить окисление молекул воды, так как это энергетически выгоднее, чем окисление сульфат-ионов. В результате этого процесса выделяется газообразный кислород ($O_2$) и образуются ионы водорода ($H^+$), которые подкисляют раствор в прианодном пространстве. Протекает реакция:

$2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

Светящаяся лампочка в цепи указывает на то, что через раствор электролита протекает электрический ток.

Ответ: Электрод, соединенный с отрицательным полюсом (катод), покроется слоем меди. На электроде, соединенном с положительным полюсом (аноде), будут выделяться пузырьки кислорода. Это объясняется процессом электролиза: на катоде происходит восстановление ионов меди, а на аноде — окисление воды.

Для второго опыта измените полярность подключения электродов... Объясните полученный результат.

Во втором опыте электрод, который ранее был катодом и покрылся медью, теперь подключается к положительному полюсу и становится анодом. Изначально чистый угольный электрод подключается к отрицательному полюсу и становится катодом.

В результате опыта можно будет наблюдать следующие изменения:

1. На новом катоде (изначально чистом электроде) начнет образовываться слой меди.

2. На новом аноде (ранее покрытом медью) медное покрытие на той части, что не заклеена скотчем, начнет растворяться. Часть электрода под скотчем останется без изменений. Выделения газа на этом электроде наблюдаться не будет.

Объяснение:

На катоде, как и в первом опыте, происходит восстановление ионов меди из раствора и их осаждение на поверхности электрода:

$Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$

На аноде же теперь происходит другой процесс. Так как анод теперь является активным (медным), то окисляться будут не молекулы воды, а атомы меди с поверхности электрода, поскольку это требует меньших затрат энергии. Атомы меди ($Cu$) теряют два электрона и переходят в раствор в виде ионов $Cu^{2+}$:

$Cu - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$

Этот процесс называется анодным растворением. Скотч является диэлектриком и изолирует часть поверхности электрода, препятствуя протеканию на ней электрохимической реакции. Таким образом, в ходе опыта происходит перенос меди с анода на катод.

Ответ: На чистом электроде (новом катоде) будет оседать медь. С незащищенной скотчем части другого электрода (нового анода) медное покрытие будет растворяться, переходя в раствор. Под скотчем покрытие останется без изменений. Наблюдается электролитический перенос меди с активного анода на катод.