Номер 3, страница 21, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 5. Электрический ток. Параграф 51. Примеры действия электрического тока - номер 3, страница 21.

Условие.

3. Ограничен ли процесс электролиза медного купороса во времени? Если да, то какие факторы оказывают влияние на продолжительность процесса электролиза?

Решение.

Да, процесс электролиза водного раствора медного купороса ($CuSO_4$) ограничен во времени. Это связано с тем, что в ходе электролиза расходуются вещества, участвующие в реакции. Процесс прекращается, когда концентрация ионов меди в растворе падает до очень низкого значения или когда полностью расходуется материал анода (в случае использования растворимого анода).

На продолжительность процесса электролиза влияют следующие факторы:

Количество электролита (сульфата меди(II))
Продолжительность напрямую зависит от общего количества ионов меди ($Cu^{2+}$) в растворе. Чем больше начальная масса растворенного медного купороса (что определяется его концентрацией и объемом раствора), тем дольше может протекать процесс до истощения ионов меди в электролите.

Сила тока ($\text{I}$)
Согласно первому закону Фарадея, масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна силе тока и времени его прохождения: $m = k \cdot I \cdot t$, где $\text{k}$ – электрохимический эквивалент. Отсюда время $t = \frac{m}{k \cdot I}$. При заданном общем количестве ионов в растворе, продолжительность процесса обратно пропорциональна силе тока. Чем выше сила тока, тем быстрее расходуются ионы меди и тем меньше времени длится электролиз.

Материал и масса анода
Различают два основных случая:
Инертный (нерастворимый) анод (например, графитовый или платиновый). На аноде происходит окисление воды: $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$. В этом случае концентрация ионов $Cu^{2+}$ в растворе постепенно уменьшается, так как они осаждаются на катоде ($Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$), а их запас не пополняется за счет растворения анода. Процесс ограничен количеством сульфата меди в исходном растворе.
Активный (растворимый) анод (например, медный). На аноде происходит растворение меди: $Cu - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$. Этот процесс пополняет раствор ионами меди, компенсируя их убыль на катоде. В идеальном случае концентрация $CuSO_4$ в растворе остается постоянной. Тогда продолжительность электролиза ограничивается только массой анода. Процесс закончится, когда анод полностью растворится.

Приложенное напряжение ($\text{U}$)
Напряжение, приложенное к электродам, определяет силу тока в цепи (в соответствии с законом Ома для электролита). Увеличение напряжения ведет к увеличению силы тока, что, в свою очередь, сокращает общую продолжительность процесса, как описано выше.

Ответ: Да, процесс электролиза медного купороса ограничен во времени, так как в ходе него расходуются реагенты. Продолжительность процесса зависит от начального количества медного купороса в растворе (его концентрации и объема), силы электрического тока, а также от материала и массы анода (является ли он инертным или растворимым).