Эксперимент в классе, страница 188 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент в классе

1. Проведите опыт с установкой, изображенной на рисунке 134.

2. Обсудите, как определить массу осевшей на катод меди.

3. Определите толщину покрытия.

4. Обсудите, как определить время, за которое толщина покрытия достигнет 3 мкм.

5. Как и где можно использовать наблюдаемое явление?

1. Проведите опыт с установкой, изображенной на рисунке 134.

Для проведения опыта собирается установка для электролиза. В электролитическую ванну (химический стакан) наливается раствор электролита — сульфата меди(II) ($CuSO_4$). В раствор опускаются два электрода: анод (+) и катод (-). В качестве анода используется медная пластина, а в качестве катода — предмет, на который необходимо нанести покрытие (например, хорошо очищенная и обезжиренная металлическая пластина или ключ). Электроды подключаются к источнику постоянного тока через амперметр для измерения силы тока. Также в цепь можно включить реостат для регулировки силы тока и вольтметр, подключенный параллельно электродам, для измерения напряжения. Замыкают цепь и оставляют на определенное время, замеряя это время секундомером. В процессе электролиза на катоде будет оседать чистая медь.

2. Обсудите, как определить массу осевшей на катод меди.

Массу меди, осевшей на катоде, можно определить двумя способами: экспериментальным и теоретическим.

1. Экспериментальный способ:

а) Перед началом опыта катод (предмет для покрытия) необходимо тщательно очистить, высушить и взвесить на точных весах (например, электронных). Записать его начальную массу $m_1$.

б) Провести процесс электролиза в течение некоторого времени.

в) После окончания опыта аккуратно извлечь катод из раствора, промыть его дистиллированной водой, чтобы смыть остатки электролита, и тщательно высушить.

г) Снова взвесить катод. Записать его конечную массу $m_2$.

д) Масса осевшей меди $\Delta m$ будет равна разности конечной и начальной масс катода: $\Delta m = m_2 - m_1$.

2. Теоретический способ:

Массу вещества, выделившегося на электроде, можно рассчитать, используя первый закон Фарадея для электролиза: $m = k \cdot I \cdot t$, где $k$ — электрохимический эквивалент вещества, $I$ — сила тока, $t$ — время электролиза.

Электрохимический эквивалент можно выразить через молярную массу $M$, валентность $n$ и постоянную Фарадея $F$: $k = \frac{M}{n \cdot F}$.

Таким образом, формула для расчета массы имеет вид: $\Delta m = \frac{M}{n \cdot F} \cdot I \cdot t$.

Сравнив массу, полученную экспериментально, с массой, рассчитанной теоретически, можно оценить КПД установки.

3. Определите толщину покрытия.

Для определения толщины покрытия необходимо знать массу осевшей меди $\Delta m$, площадь поверхности покрытия $S$ и плотность меди $\rho$. Предположим, мы провели эксперимент со следующими параметрами.

Дано:

Сила тока $I = 2$ А

Время электролиза $t = 15$ мин

Площадь поверхности катода $S = 40$ см²

Молярная масса меди $M = 63,5$ г/моль

Плотность меди $\rho = 8960$ кг/м³

Валентность меди (в ионе $Cu^{2+}$) $n = 2$

Постоянная Фарадея $F \approx 96485$ Кл/моль

Перевод в СИ:

$t = 15 \cdot 60 = 900$ с

$S = 40 \cdot 10^{-4}$ м² $= 4 \cdot 10^{-3}$ м²

$M = 63,5 \cdot 10^{-3}$ кг/моль

Найти:

Толщина покрытия $h$

Решение:

Сначала найдем массу меди $\Delta m$, которая осела на катоде, по закону Фарадея: $\Delta m = \frac{M}{n \cdot F} \cdot I \cdot t$

$\Delta m = \frac{63,5 \cdot 10^{-3} \text{ кг/моль}}{2 \cdot 96485 \text{ Кл/моль}} \cdot 2 \text{ А} \cdot 900 \text{ с} \approx 0,329 \cdot 10^{-6} \frac{\text{кг}}{\text{Кл}} \cdot 1800 \text{ Кл} \approx 5,92 \cdot 10^{-4}$ кг.

Объем осевшей меди $V$ можно выразить двумя способами:

$V = \frac{\Delta m}{\rho}$ и $V = S \cdot h$.

Приравнивая эти выражения, получаем: $S \cdot h = \frac{\Delta m}{\rho}$.

Отсюда выразим толщину покрытия $h$:

$h = \frac{\Delta m}{S \cdot \rho}$

$h = \frac{5,92 \cdot 10^{-4} \text{ кг}}{4 \cdot 10^{-3} \text{ м}^2 \cdot 8960 \text{ кг/м}^3} = \frac{5,92 \cdot 10^{-4}}{35,84}$ м $\approx 1,65 \cdot 10^{-5}$ м.

Переведем в микрометры: $1,65 \cdot 10^{-5}$ м = 16,5 мкм.

Ответ: толщина покрытия составляет примерно 16,5 мкм.

4. Обсудите, как определить время, за которое толщина покрытия достигнет 3 мкм.

Чтобы определить необходимое время, нужно решить обратную задачу, используя те же формулы. Возьмем параметры силы тока и площади из предыдущей задачи.

Дано:

Требуемая толщина покрытия $h' = 3$ мкм

Сила тока $I = 2$ А

Площадь поверхности катода $S = 40$ см²

Молярная масса меди $M = 63,5$ г/моль

Плотность меди $\rho = 8960$ кг/м³

Валентность меди $n = 2$

Постоянная Фарадея $F \approx 96485$ Кл/моль

Перевод в СИ:

$h' = 3 \cdot 10^{-6}$ м

$S = 40 \cdot 10^{-4}$ м² $= 4 \cdot 10^{-3}$ м²

$M = 63,5 \cdot 10^{-3}$ кг/моль

Найти:

Время электролиза $t$

Решение:

Сначала найдем массу меди $\Delta m'$, которая соответствует требуемой толщине покрытия $h'$:

$\Delta m' = \rho \cdot V = \rho \cdot S \cdot h'$

$\Delta m' = 8960 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 4 \cdot 10^{-3} \text{ м}^2 \cdot 3 \cdot 10^{-6} \text{ м} = 107,52 \cdot 10^{-6}$ кг $\approx 1,08 \cdot 10^{-4}$ кг.

Теперь из закона Фарадея $\Delta m' = \frac{M \cdot I \cdot t}{n \cdot F}$ выразим время $t$:

$t = \frac{\Delta m' \cdot n \cdot F}{M \cdot I}$

$t = \frac{1,08 \cdot 10^{-4} \text{ кг} \cdot 2 \cdot 96485 \text{ Кл/моль}}{63,5 \cdot 10^{-3} \text{ кг/моль} \cdot 2 \text{ А}} = \frac{20840,76 \cdot 10^{-4}}{0,127}$ с $\approx \frac{2,084}{0,127}$ с $\approx 164,1$ с.

Переведем в минуты: $164,1$ с $\approx$ 2 минуты 44 секунды.

Ответ: для достижения толщины покрытия в 3 мкм потребуется примерно 164 секунды (2 минуты 44 секунды).

5. Как и где можно использовать наблюдаемое явление?

Наблюдаемое явление — это электролиз, который имеет множество важных практических применений.

1. Гальваностегия (электропокрытие) — нанесение тонких металлических покрытий на поверхность изделий. Это делается для:

- Защиты от коррозии: покрытие стальных изделий слоем цинка (оцинковка), хрома (хромирование), никеля (никелирование).

- Декоративных целей: покрытие ювелирных изделий, столовых приборов и элементов декора слоем золота (золочение) или серебра.

- Придания специальных свойств: нанесение твердого хрома на режущие инструменты для повышения износостойкости, серебрение контактов для улучшения электропроводности.

2. Гальванопластика — получение точных металлических копий предметов. Модель (например, из воска или пластика) покрывают токопроводящим слоем (графитом) и используют как катод в электролитической ванне. После наращивания слоя металла достаточной толщины его отделяют от модели, получая точную копию. Этот метод используется для изготовления:

- Печатных форм в полиграфии.

- Матриц для производства грампластинок и компакт-дисков.

- Ювелирных изделий, скульптур и других сложных по форме металлических объектов.

3. Электрорафинирование — очистка металлов от примесей. Это один из основных промышленных способов получения металлов высокой чистоты (например, меди, никеля, свинца, золота). В процессе электролиза неочищенный металл, служащий анодом, растворяется, а на катоде осаждается чистый металл. Примеси либо остаются в растворе, либо выпадают в осадок (анодный шлам). Таким способом получают медь с чистотой 99,99 % и выше.