Номер 3, страница 214 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. II. Эксперимент и моделирование — основные физические методы исследования природы - номер 3, страница 214.

Условие.

• Изготовление и испытание гальванического элемента.

Решение.

Изготовление гальванического элемента

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, в котором энергия спонтанной окислительно-восстановительной реакции преобразуется в электрическую энергию. Для демонстрации будет изготовлен и испытан классический медно-цинковый гальванический элемент Даниэля-Якоби.

Материалы и оборудование:
- Два химических стакана объемом 100-250 мл.
- Цинковая пластина (электрод).
- Медная пластина (электрод).
- Раствор сульфата цинка ($ZnSO_4$) с концентрацией 1 моль/л.
- Раствор сульфата меди(II) ($CuSO_4$) с концентрацией 1 моль/л.
- Солевой мостик (U-образная стеклянная трубка, заполненная концентрированным раствором хлорида калия $KCl$ или нитрата калия $KNO_3$ в агар-агаровом геле).
- Соединительные провода с зажимами.
- Вольтметр.

Порядок изготовления:
1. Подготовить электроды: поверхности цинковой и медной пластин необходимо зачистить наждачной бумагой для удаления оксидной пленки, а затем обезжирить, протерев тканью, смоченной спиртом или ацетоном.
2. Подготовить полуэлементы: в один стакан налить заранее приготовленный раствор сульфата цинка, а в другой — раствор сульфата меди(II).
3. Собрать полуэлементы: погрузить подготовленную цинковую пластину в стакан с раствором сульфата цинка, а медную пластину — в стакан с раствором сульфата меди(II).
4. Замкнуть внутреннюю цепь: соединить растворы в обоих стаканах с помощью солевого мостика, опустив его концы в электролиты. Солевой мостик обеспечивает ионную проводимость между полуэлементами, что необходимо для поддержания электронейтральности растворов в процессе работы элемента.

Ответ: В результате выполненных действий собран медно-цинковый гальванический элемент, состоящий из двух полуэлементов: цинкового ($Zn | ZnSO_4$) и медного ($Cu | CuSO_4$), соединенных солевым мостиком. Элемент готов к испытаниям.

Испытание гальванического элемента

Испытание собранного элемента заключается в измерении его электродвижущей силы (ЭДС), определении полюсов и наблюдении за протекающими на электродах процессами.

Порядок испытания:
1. Подключить внешнюю цепь: соединить электроды с помощью проводов с вольтметром. Цинковый электрод подключается к отрицательной клемме («–») вольтметра, а медный — к положительной клемме («+»). Это связано с тем, что цинк является более активным металлом, чем медь, и выступает в роли анода (отрицательного полюса). Медь, соответственно, является катодом (положительным полюсом).
2. Измерить ЭДС: зафиксировать показание вольтметра. Это значение и есть электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента. Теоретическое значение ЭДС для стандартного элемента Даниэля-Якоби (при концентрациях солей 1М и температуре 298 К) составляет 1,10 В. Оно вычисляется как разность стандартных электродных потенциалов катода и анода:
$E_{элемента}^° = E_{катода}^° - E_{анода}^° = E_{Cu^{2+}/Cu}^° - E_{Zn^{2+}/Zn}^° = (+0,34 В) - (-0,76 В) = 1,10 В$
3. Наблюдать за процессами: при работе элемента на аноде (цинковом электроде) происходит процесс окисления — цинк растворяется, переходя в раствор в виде ионов $Zn^{2+}$:
$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$
На катоде (медном электроде) происходит процесс восстановления — ионы меди $Cu^{2+}$ из раствора принимают электроны и осаждаются на поверхности электрода в виде металлической меди:
$Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$
Суммарное ионное уравнение реакции в элементе: $Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu$.
Со временем масса цинкового электрода уменьшается, а масса медного — увеличивается. Голубая окраска раствора сульфата меди становится менее интенсивной из-за расходования ионов $Cu^{2+}$.
4. Проверить работоспособность: для демонстрации того, что элемент является источником тока, можно вместо вольтметра подключить к нему маломощный потребитель, например, светодиод или электронные часы.

Ответ: В ходе испытаний была измерена ЭДС гальванического элемента, определены его полюса (анод - Zn, катод - Cu), подтверждены теоретические представления об окислительно-восстановительных процессах на электродах и продемонстрирована способность элемента служить источником электрической энергии для питания внешней нагрузки.