ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТА МЕДИ

Вещества, растворы которых в воде и некоторых других диэлектрических жидкостях проводит электрический ток, называют электролитами или проводниками второго рода.

Выясним механизм проводимости водных растворов электролитов на примере раствора поваренной соли NaCI.

Взаимодействие атомов натрия и хлора в молекуле поваренной соли упрощенно можно представить как взаимодействие двух ионов: положительно заряженного иона Na⁺ и отрицательно заряженного иона CI.^- (рис.1). Объясняется это тем, что единственный валентный электрон у натрия слабо связан с атомом. При образовании молекул NaCI. этот электрон переходит к атому хлора, превращая его в отрицательный ион CI.^-; в соответствии с этим молекулу NaCI можно схематически изобразить в виде диполя (рис. 2).

Рис.2

При растворении поваренной соли в воде молекулы NaCI попадают в окружение молекул воды, которое тоже являются диполями. В электрическом поле, создаваемом молекулой NaCI , молекулы воды ориентируются так, как показано из рис. 2. При этом они растягивают молекулу NaCI настолько, что незначительная ее встряска при отклонении с другими молекулами разрушает ее. Часть молекул NaCI распадается - диссоциирует на ионы Na⁺ и CI.^-. Этот процесс называется электролитической диссоциацией. Ионы разных знаков при встрече могут снова объединиться в нейтральные молекулы – рекомбинировать.

При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, распадающихся в единицу времени на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь воссоединяющихся в нейтральные молекулы. Другими словами, в водных растворах электролитов всегда имеются в наличии свободные носители зарядов – положительно и отрицательно заряженные ионы.

Если в сосуд с раствором электролита опустить электроды и включить их в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться к положительному электроду – аноду, а положительные к отрицательному – катоду. В результате устанавливается электрический ток. Поскольку перенос заряда в водных растворах или расплавах электролитов осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.

При прохождении тока, например, через раствор медного купороса СuSO₄ происходит следующий процесс. Положительные ионы Сu⁺⁺ при соприкосновении с катодом получают недостающие электроны и выделяются на катоде в виде нейтральных атомов. Отрицательные ионы (SO₄)^{- -} при соприкосновении с анодом отдают лишние электроны. Появившиеся на аноде электроны по внешней цепи переходят на катод и там соединяются с положительными ионами. Если анод медный, то нейтрализовавшиеся ионы SO₄ вступают с ними в химическую реакцию и вновь образуют молекулы медного купороса: SO₄ + Сu СuSO₄

В результате количество медного купороса в растворе остается неизменным, на катоде выделяется медь, а медь с анода, вступая в химическую реакцию с группой SO₄ , переходит в раствор.

Процесс выделения на электродах продуктов разложения электролита при прохождении через этот электролит электрического тока, называется электролизом. Согласно первому закону Фарадея, масса выделивщегося на электроде вещества m пропорциональна силе тока I и времени его прохождения t.

(1)

где k-коэффициент пропорциональности, а It=q заряд, перенесенный ионами за время t.

Из формулы /1/ видно, что коэффициент k численно равен массе выделившегося на электродах вещества при переносе ионами заряда, равного 1 Кулону. Величину k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества. Электрохимический эквивалент выражается в кг/Кл.

Согласно второму закону Фарадея, электрохимический эквивалент вещества пропорционален его химическому эквиваленту .

(2)

где М – молярная масса вещества,

Z – валентность,

С – постоянная величина, одинаковая для всех элементов.

Введя вместо коэффициента С величину, ему обратную, второй закон Фарадея можно переписать в виде :

(3)

где -число Фарадея.

Объединяя формулы /1/и /3/, получим:

Если масса выделившегося вещества равна его химическому эквиваленту, т. е. /m/=/ /,то /F/=/q/. Таким образом, число Фарадея F численно равно количеству электричества g, при прохождении которого через электролит на электроде выделяется количество вещества, равное химическому эквиваленту, F=9.6484*10⁴Кл/моль.

В настоящей работе требуется определить электрохимический эквивалент меди и число Фарадея.

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСИАНОВКИ.

Для определения электрохимических эквивалентов различных веществ пользуются так называемыми вольтметрами. Медный вольтметр состоит из стеклянной банки, в которую налит раствор медного купороса и погружены две пластинки из красной меди, снабженные клеммами для включения их в цепь /см. рис.3/.Электрическое поле между электродами создается с помощью источника тока/аккумулятора, выпрямителя и др./, сила тока регулируется реостатом R и измеряется амперметром А. Цепь замыкается ключом К, время отмечается по часам.

Рис.3

I. Порядок выполнения работы.

1. Зачистите электроды наждачной бумагой, промойте струей воды из под крана и просушите над электроплиткой (электроды должны быть совершенно чистыми).

2. Определите массу одной из пластинок m₁ на весах с точностью 0,01 грамма.

3. Соберите схему согласно рис. 3, используя в качестве катода пластинку с известной массой.

4. Замкните цепь ключом К и установите реостатом R силу тока I.

5. Проведите процесс электролиза в течении времени t (сила тока I и время процесса t задается преподавателем).

6. Выньте катодную пластинку, помойте ее струей воды, просушите ее и определите массу m₂.

7. Вычислите массу m отложившейся на пластинке меди: m = m₂ – m₁.

8. Подставляя значения m, I, t в формулу (1), рассчитайте электрохимический эквивалент меди k.

9. Вычислите число Фарадея по формуле: зная, что М = 63,57_*10^-3 Кл/моль, а z = 2.

10. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

11. Сделайте выводы.

Таблица 1