Лабораторная работа №12, страница 104, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12

Гальваническое покрытие металлических предметов

Реактивы: медный купороc $CuSO_4 \cdot 5H_2O$, соляная кислота, дистиллированная вода.

Химическая посуда и лабораторное оборудование: электролизер, небольшие медные пластины и монеты, токопроводящие проволоки, источник тока (батарейка), реостат и амперметр.

Техника безопасности. Требуется соблюдение правил работы с растворами кислот, щелочей и нагревательными приборами.

Ход работы

20 г медного купороса положите в стакан и налейте 100 мл дистиллированной воды. Раствор размешивайте до полного растворения медного купороса. В раствор добавьте 3 мл серной кислоты. Чтобы снять оксидную пленку с медной пластинки, очистите ее наждачной бумагой и для обезжиривания промойте сначала в горячем содовом растворе, затем — в чистой воде.

В электролизер (в стеклянную емкость) налейте приготовленный раствор электролита. Концы проводов от медных пластин подсоедините к плюсовой, а обрабатываемую деталь (монета) к минусовой клеммам источника тока. Последовательно в созданную электрическую цепь подсоедините реостат и амперметр.

В электролит опустите медную пластинку и монету. Необходимо проследить, чтобы медные пластины и монета были полностью погружены в раствор электролита.

Реостатом установите ток в пределах $1.5 \text{ A}$.

Выдержите монету в растворе 15—20 минут. Затем выключите электропитание и извлеките монету из раствора. Смойте с монеты остатки электролита и просушите ее. Что наблюдаете? Сделайте вывод.

Дано:

Масса медного купороса ($CuSO_4 \cdot 5H_2O$): $m = 20 \text{ г}$

Объем дистиллированной воды: $V_{H_2O} = 100 \text{ мл}$

Объем серной кислоты: $V_{H_2SO_4} = 3 \text{ мл}$

Сила тока: $I \approx 1,5 \text{ А}$

Время электролиза: $t = 15-20 \text{ мин}$

Анод (+): медная пластина

Катод (-): монета

Электролит: водный раствор сульфата меди(II) с добавлением серной кислоты

Перевод в систему СИ:

$m = 0,02 \text{ кг}$

$V_{H_2O} = 100 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 10^{-4} \text{ м}^3$

$V_{H_2SO_4} = 3 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3$

$t = (15 \div 20) \cdot 60 \text{ с} = 900 \div 1200 \text{ с}$

Найти:

Наблюдаемые явления и вывод по результатам эксперимента.

Решение:

Описанный в лабораторной работе процесс — это гальваностегия, то есть нанесение медного покрытия на предмет с помощью электролиза.

1. Подготовка электролита и электродов. Растворение медного купороса ($CuSO_4 \cdot 5H_2O$) в воде создает электролит, содержащий ионы меди ($Cu^{2+}$) и сульфат-ионы ($SO_4^{2-}$). Серную кислоту ($H_2SO_4$) добавляют для увеличения электропроводности раствора и для предотвращения гидролиза соли $CuSO_4$. Зачистка и обезжиривание электродов (медной пластины и монеты) необходимы для обеспечения качественного и прочного сцепления медного покрытия с поверхностью монеты.

2. Электрохимические процессы. При пропускании электрического тока через раствор на электродах происходят окислительно-восстановительные реакции.

На катоде (отрицательно заряженном электроде), которым является монета, происходит процесс восстановления. Положительно заряженные ионы меди ($Cu^{2+}$) из раствора притягиваются к катоду, принимают от него электроны и осаждаются на поверхности монеты в виде металлической меди:

$K (-): Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$

На аноде (положительно заряженном электроде), который сделан из меди, происходит процесс окисления (растворения). Атомы меди с поверхности анода отдают электроны и переходят в раствор в виде ионов ($Cu^{2+}$), пополняя их концентрацию в электролите:

$A (+): Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$

В результате происходит перенос массы меди с анода на катод, а концентрация ионов меди в растворе остается практически постоянной.

Что наблюдаете?

В ходе эксперимента можно наблюдать, как поверхность монеты, подключенной к катоду, постепенно покрывается равномерным слоем металлической меди. Этот слой имеет характерный блестящий розово-красный цвет. Синий цвет раствора электролита, обусловленный ионами $Cu^{2+}$, при этом заметно не изменяется. Это происходит потому, что количество ионов меди, осаждающихся на катоде, примерно равно количеству ионов меди, переходящих в раствор с анода.

Ответ: Наблюдается образование на поверхности монеты ровного, блестящего слоя металлической меди красноватого цвета.

Сделайте вывод.

Проведенный опыт демонстрирует физико-химический процесс гальваностегии — нанесения металлического покрытия на поверхность изделия с помощью электролиза. В данном случае монета была покрыта слоем меди. Этот процесс основан на явлении электролиза: под действием электрического тока ионы металла из электролита восстанавливаются на катоде (покрываемом изделии), образуя металлическое покрытие. Использование растворимого анода (в данном случае медного) позволяет поддерживать постоянную концентрацию ионов металла в растворе и обеспечивать стабильность процесса. Гальванические покрытия широко применяются для защиты металлов от коррозии, а также в декоративных целях.

Ответ: В результате электролиза раствора сульфата меди с медным анодом происходит перенос меди с анода на катод (монету). Этот процесс позволяет наносить на предметы тонкий и равномерный слой металлической меди, что является практическим применением явления электролиза.