Опыт, страница 312 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

С помощью лабораторного оборудования соберите схему, изображённую на рисунке 6.10. Проведите эксперимент. Определите массу меди, отложившейся на угольном электроде за определённый, зафиксированный вами интервал времени.

Данное задание представляет собой описание лабораторной работы по электролизу. Для определения массы меди, отложившейся на угольном электроде, необходимо провести эксперимент и выполнить расчеты по закону Фарадея. Поскольку конкретные данные (сила тока, время) и схема установки (рисунок 6.10) отсутствуют, ниже приводится общее описание методики и пример расчета.

Цель работы: Экспериментально и теоретически определить массу меди, выделившуюся на катоде в процессе электролиза раствора медного купороса.

Оборудование: Источник постоянного тока, амперметр, ключ, реостат (для регулировки силы тока), соединительные провода, секундомер, электронные весы, стакан с раствором медного купороса (CuSO₄), два электрода — угольный (катод) и медный (анод).

Порядок выполнения работы:

1. Тщательно очистить и высушить угольный электрод. С помощью электронных весов измерить его начальную массу $m_1$.
2. Собрать электрическую цепь. Угольный электрод (катод) подключить к отрицательному полюсу источника тока, а медный (анод) — к положительному. Амперметр включить в цепь последовательно для измерения силы тока.
3. Опустить электроды в стакан с раствором медного купороса так, чтобы они не касались друг друга.
4. Замкнуть ключ и одновременно включить секундомер. С помощью реостата установить в цепи постоянную силу тока $\text{I}$ (например, 0,5 А) и поддерживать ее неизменной в течение всего эксперимента.
5. Проводить электролиз в течение заранее определенного времени $\text{t}$ (например, 15-20 минут).
6. По истечении времени $\text{t}$ разомкнуть цепь, вынуть угольный электрод из раствора, аккуратно промыть его дистиллированной водой для удаления остатков электролита, затем спиртом для быстрого высыхания, и высушить на воздухе.
7. Измерить массу угольного электрода с осадком меди $m_2$ на тех же весах.
8. Вычислить массу выделившейся меди по формуле: $m_{эксп} = m_2 - m_1$.
9. Рассчитать теоретическую массу меди, используя закон Фарадея, и сравнить с результатом, полученным экспериментально.

Теоретический расчет массы меди

Масса вещества, выделившегося на электроде при электролизе, определяется по объединенному закону Фарадея:

$m = kIt$

где $\text{k}$ — электрохимический эквивалент вещества. Он рассчитывается по формуле:

$k = \frac{M}{zF}$

Здесь $\text{M}$ — молярная масса вещества, $\text{z}$ — валентность ионов вещества в растворе, $\text{F}$ — постоянная Фарадея ($F \approx 96485$ Кл/моль).

Для меди, которая в растворе медного купороса находится в виде ионов $Cu^{2+}$, валентность $z=2$. Итоговая формула для расчета массы меди:

$m = \frac{M}{zF} It$

Проведем пример расчета для гипотетических данных, которые могли бы быть получены в ходе эксперимента.

Дано:

Сила тока: $I = 0.5$ А
Время электролиза: $t = 20$ мин
Молярная масса меди: $M(Cu) = 63.5$ г/моль
Валентность ионов меди: $z = 2$
Постоянная Фарадея: $F = 96485$ Кл/моль

$t = 20 \text{ мин} = 20 \cdot 60 \text{ c} = 1200 \text{ с}$
$M(Cu) = 63.5 \text{ г/моль} = 63.5 \cdot 10^{-3} \text{ кг/моль}$

Найти:

$\text{m}$ — масса выделившейся меди.

Решение:

Воспользуемся объединенным законом Фарадея для электролиза:

$m = \frac{M}{zF} It$

Подставим числовые значения в формулу:

$m = \frac{63.5 \cdot 10^{-3} \text{ кг/моль}}{2 \cdot 96485 \text{ Кл/моль}} \cdot 0.5 \text{ А} \cdot 1200 \text{ с}$

Рассчитаем электрохимический эквивалент меди:

$k = \frac{63.5 \cdot 10^{-3}}{192970} \approx 0.329 \cdot 10^{-6} \text{ кг/Кл}$

Рассчитаем прошедший через электролит заряд:

$q = It = 0.5 \text{ А} \cdot 1200 \text{ с} = 600 \text{ Кл}$

Теперь найдем массу:

$m = k \cdot q \approx 0.329 \cdot 10^{-6} \text{ кг/Кл} \cdot 600 \text{ Кл} \approx 197.4 \cdot 10^{-6} \text{ кг}$

$m \approx 0.0001974 \text{ кг} \approx 0.197 \text{ г}$

Ответ: за 20 минут при силе тока 0.5 А на угольном электроде теоретически должна отложиться масса меди, равная приблизительно $0.197$ г.