Farady badał zjawisko elektrolizy, czyli fizyko‑chemiczne skutki przepływu prądu w elektrolicie. Sformułował dwa prawa elektrolizy. Najprostszy obwód elektryczny do badania tego zjawiska przedstawia schematycznie Rys. 1.a. Zawiera regulowany zasilacz napięcia stałego, amperomierz i szeregowo połączone dwie elektrody. Elektrody te mocujemy na przeciwległych ścianach prostopadłościennego naczynia szklanego lub plastikowego o pojemności około 300 ml. Amperomierz nastawiamy na pomiar natężenia prądu stałego.
RbVJNlGRQlyiA
1
Ćwiczenie 3
Przeprowadzamy trzykrotnie obserwację, polegającą na włączeniu zasilacza, nastawieniu maksymalnego napięcia i odczytaniu wskazań amperomierza. W przypadku 1a) amperomierz wskazywał zero, nawet na najbardziej czułym zakresie. Za drugim razem (rys. 1b.) wlaliśmy do naczynia około 200 ml wody destylowanej - wtedy amperomierz wskazywał przepływ prądu o natężeniu rzędu 10 μmuA. Za trzecim razem (rys. 1c.) dosypaliśmy do wody łyżkę siarczanu (VI) miedzi (II) CuSOIndeks dolny 44 (tzw. siarczanu miedziowego) - wtedy amperomierz wskazał natężenie prądu rzędu 200 mA.
Objaśnij wyniki kolejnych obserwacji wskazań amperomierza. Wpisz swoją wypowiedź w ramkę. Porównaj ją następnie z odpowiedzią wzorcową.
Przypomnij sobie pojęcia: izolator elektryczny i przewodnik elektryczny oraz elektrolit.
Powietrze jest izolatorem. W pokojowej temperaturze zawiera ono tak niewiele swobodnych nośników ładunku, że natężenie prądu elektrycznego płynącego pomiędzy elektrodami w powietrzu jest niemierzalne. Woda destylowana także jest izolatorem. Widocznie jednak zawierała jakieś zanieczyszczenia, które umożliwiły przepływ prądu, o bardzo niewielkim natężeniu. Siarczan miedzi ulega w wodzie dysocjacji elektrolitycznej na jony, które stanowią swobodne nośniki prądu w powstałym elektrolicie, zapewniając przepływ przez naczynie prądu o mierzalnym natężeniu, około cztery rzędy wielkości silniejszym, niż w przypadku wody destylowanej.
Wspólna treść do zadań 4, 5 i 6.
Pozostawiamy na kilka minut włączony przepływ prądu w sytuacji 1.c), opisanej w zad. 3. Po wyłączeniu napięcia stwierdziliśmy trzy ciekawe efekty:
a) Temperatura naczynia, badana ręką, nieco wzrosła.
b) W okolicach anody (elektrody połączonej z dodatnim biegunem źródła napięcia) pojawiły się pęcherzyki jakiegoś gazu.
c) Katoda pokryła się miejscami bardzo cienką warstwą połyskliwego, czerwonawego nalotu.
3
Ćwiczenie 4
Wyjaśnij przyczyny obserwacji a) czyli wzrostu temperatury naczynia z roztworem. Umieść swoją wypowiedź w przygotowanym do tego polu. Porównaj ją następnie z odpowiedzią wzorcową.
Przypomnij sobie, na czym polegają cieplne efekty przepływu prądu; zapoznaj się z e‑materiałem „Prawo Joule`a - Lenza”.
Przepływ prądu przez elektrolit, jakim jest wodny roztwór siarczanu (VI) miedzi (II) CuSOIndeks dolny 44, polega na ruchu jonów w polu elektrycznym elektrod połączonych ze źródłem napięcia. Jony te zderzają się między sobą, zderzają się z cząsteczkami wody. Zderzenia te są niesprężyste, więc energia kinetyczna ruchu jonów ulega rozproszeniu i zamienia się w energię wewnętrzną elektrolitu. Przyrost energii wewnętrznej makroskopowo obserwujemy jako wzrost temperatury elektrolitu.
lub :
Elektrolit spełnia w obwodzie rolę zbliżoną do opornika elektrycznego. Wydziela się w nim ciepło, zgodnie z wyrażeniem Q = U·I·t, gdzie U to napięcie panujące pomiędzy elektrodami, I - natężenie prądu płynącego przez elektrolit, t – czas przepływu tego prądu. Skutkiem tego jest wzrost energii wewnętrznej elektrolitu i, co za tym idzie, jego temperatury.
3
Ćwiczenie 5
Postaw hipotezę, jaki gaz może się wydzielać w opisanych warunkach. (spostrzeżenie b). Umieść swoją wypowiedź w przygotowanym do tego polu. Porównaj ją następnie z odpowiedzią wzorcową.
Przeanalizuj skład siarczanu (VI) miedzi (II) CuSOIndeks dolny 44. Jakie są produkty jego dysocjacji? Jak mogą reagować z wodą?
Hipoteza. Wydzielającym się gazem może być jeden z czterech następujących: cząsteczkowy wodór HIndeks dolny 22, cząsteczkowy tlen OIndeks dolny 22, para wodna HIndeks dolny 22O i tlenek siarki (IV) SOIndeks dolny 22 (tzw. dwutlenek siarki). Tylko te gazy mogą powstać z pierwiastków zawartych w elektrolicie.
Uzupełnienie: rozstrzygnięcie hipotezy.
Bez szczegółowej analizy reakcji chemicznych zachodzących przy elektrodach i bez badania gazu, nie można rozstrzygnąć, który z nich się wydziela. Najmniej prawdopodobna wydaje się hipoteza, by była to para wodna, ze względu na temperaturę elektrolitu, w której wykonujemy doświadczenie.
Przyjrzyjmy się równaniu dysocjacji elektrolitycznej siarczanu (VI) miedzi (II) CuSOIndeks dolny 44.
Jak widać z analizy równania w grę mogą wchodzić tylko dwa gazy: para wodna HIndeks dolny 22O (tę już wykluczyliśmy) i tlen cząsteczkowy OIndeks dolny 22. Wykluczamy więc możliwość wydzielania się wodoru HIndeks dolny 22 oraz dwutlenku siarki SOIndeks dolny 22. Hipotezę o wydzielaniu się tlenu możemy potwierdzić przybliżając do anody zapaloną zapałkę; jeśli zapałka rozbłyśnie silniejszym płomieniem nasza hipoteza zostanie potwierdzona.
Uzupełnienie dla zaawansowanych chemików.
Należy podkreślić, że w przypadku elektrolizy wszelkie reakcje elektrochemiczne zachodzą wyłącznie na granicy faz elektrolit‑elektroda. Rozpiszmy więc równanie jonowe dla elektrod:
Katoda(-): CuIndeks górny (2+)(2+) + 2eIndeks górny (-)(-) → Cu
Przepływ prądu przez elektrolit wymusza ruch jonów: kationów w kierunku katody oraz anionów w kierunku anody. Jak wynika z równania jonowego miedź Cu osadza się na katodzie i mogą tam wydzielić się śladowe ilości wodoru HIndeks dolny 22, co obniży wydajność prądową elektrolizy. Na anodzie wydziela się tlen OIndeks dolny 22.
Dla porządku rozpiszmy z każdego równania jonowego równanie cząsteczkowe:
Możemy upewnić się co do poprawności naszego rozumowania przeprowadzając stosunkowo prostą analizę wydzielających się gazów. Wydzielanie się dwutlenku siarki SO2 dałoby się potwierdzić przez wyczucie charakterystycznego ostrego zapachu (UWAGA! Dwutlenek siarki SOIndeks dolny 22 jest gazem silnie trującym). Zbliżając zapaloną zapałkę do strumienia tlenu OIndeks dolny 22 zaobserwujemy rozbłysk płomienia zapałki, zaś przy zbliżeniu zapalonej zapałki do strumienia wodoru HIndeks dolny 22 usłyszymy charakterystyczny odgłos „szczeknięcia” (UWAGA! Wodór HIndeks dolny 22 jest silnie wybuchowy i doświadczenie to jest bezpieczne jedynie przy bardzo niewielkim wydzielaniu gazu).
3
Ćwiczenie 6
Postaw hipotezę, dotyczącą natury zaobserwowanego nalotu w spostrzeżeniu c). Wymień czynniki, od których może zależeć ilość pojawiającego się nalotu. Umieść swoje wypowiedzi w przygotowanym do tego polu. Porównaj je następnie z odpowiedzią wzorcową.
Przeanalizuj skład siarczanu (VI) miedzi (II) CuSOIndeks dolny 44. Jakie są produkty jego dysocjacji?
Każda cząsteczka siarczanu (VI) miedzi (II) CuSOIndeks dolny 44 ulega dysocjacji na dwudodatni jon miedzi CuIndeks górny (2+)(2+) i dwuujemny jony reszty kwasowej SOIndeks dolny 44Indeks górny (2-)(2-).
Jony miedzi są przyciągane przez ujemnie naładowaną katodę i osadzają się na niej w postaci atomowej, dając w efekcie obserwowany nalot. Jakościowy opis (połyskliwy, czerwonawy) potwierdza, że nalotem tym jest metaliczna miedź.
Można przypuszczać, że masa wydzielonej miedzi zależy od wielu czynników charakteryzujących układ doświadczalny. Warto tu wymienić:
temperaturę elektrolitu;
natężenie prądu płynącego przez elektrolit;
napięcie przyłożone do elektrod;
powierzchnia katody;
materiał, z jakiego wykonana jest każda z elektrod;
rodzaj reszty kwasowej (np. gdyby wsypano siarczan (IV) miedzi (II) CuSOIndeks dolny 33, tzw. siarczyn miedziowy, to wydzieliłaby się inna masa miedzi);
wartościowość miedzi (np. gdyby wsypano siarczan (VI) miedzi (I), CuIndeks dolny 22SOIndeks dolny 44 tzw. siarczan miedziawy, to wydzieliłaby się inna masa miedzi);
stężenie siarczanu miedzi w elektrolicie;
czas trwania przepływu prądu;
Rozstrzygnięcie, które spośród powyższych czynników są rzeczywiście istotne, a które nie, wymaga przeprowadzenia odpowiednio zaprojektowanych badań.
3
Ćwiczenie 7
Zaproponuj eksperyment, w którym będzie można zmierzyć, jak zależy ilość pojawiającego się na katodzie nalotu od czasu trwania elektrolizy. Umieść swoją wypowiedź w przygotowanym do tego polu. Porównaj ją następnie z odpowiedzią wzorcową.
Przyjmij, jako punkt wyjścia, zestaw pokazanym na rys. 1. Jakie ewentualnie przewidujesz w nim zmiany czy uzupełnienia? Jak powinny przebiegać pomiary? W jakiej formie zaprezentujesz uzyskane wyniki?
Zestaw doświadczalny powinien być tożsamy z zestawem 1.c. Należy zapewnić takie warunki, by – w miarę możliwości – wszystkie czynniki charakteryzujące układ (patrz zad. 6.) były stałe w trakcie pomiaru, z wyjątkiem czasu trwania pomiaru.
Przed rozpoczęciem elektrolizy ważymy katodę, z maksymalną dostępną dokładnością. Wynik pomiaru, MIndeks dolny 00, zapisujemy. Katodę mocujemy w zestawie, włączamy napięcie i włączamy stoper. Po upływie ustalonego czasu tIndeks dolny nn wyłączamy przepływ prądu, wyjmujemy katodę z zestawu, płuczemy w wodzie destylowanej, osuszamy ją i ważymy. Wynik ważenia, M(t), zapisujemy.
Opisane czynności powtarzamy kilkakrotnie. W efekcie uzyskujemy tabelę zależności masy katody od czasu trwania elektrolizy dla n pomiarów. W ostatniej kolumnie obliczamy masę nalotu mIndeks dolny nn jako różnicę pomiędzy aktualną masą katody M(t) a jej masą początkową MIndeks dolny 00.
Lp.
t [s]
M(t) [mg]
mIndeks dolny nn = M(t) – MIndeks dolny 00 [mg]
0
0
MIndeks dolny 00
0
1
tIndeks dolny nn
2
2·tIndeks dolny nn
…
…
…
…
n
n·tIndeks dolny nn
Tabela 1. Tabela zależności masy katody od czasu prowadzenia elektrolizy.
Zależność mIndeks dolny nn(t) należy także przedstawić na wykresie, wyskalowanym zgodnie z wynikami eksperymentu:
RH4RAoLU623kP
2
Ćwiczenie 8
RdXA6bIX6802T
Zależność funkcyjna y(x) w przypadku dwóch wielkości proporcjonalnych ma postać: y(x) = a · x, gdzie współczynnik proporcjonalności a jest wielkością stałą.
3
Ćwiczenie 9
W ćwiczeniu 7. pokazano, że zależność masy osadzonej miedzi od czasu ma postać
zaś w ćwiczeniu 8 pokazano, że zależność masy osadzonej miedzi od natężenia prądu ma postać
Podaj argument przemawiający za faktem, że zależność masy osadzonej miedzi od obu tych zmiennych ma postać
iloczynu:
a nie
sumy:
Wpisz swoje uzasadnienie w przygotowane pole a następnie porównaj je z odpowiedzią wzorcową.
Każda z zależności (1) oraz (2) jest proporcjonalna. Czy suma takich dwóch zależności jest proporcjonalna?
Zależność (1) możemy rozpatrywać jako szczególny przypadek zależności (3) albo zależności (4), w których ustalono wartość natężenia prądu I. Jednak, by zachodził proces elektrolizy, wartość I ≠ 0.
W przypadku zależności (3) uzyskujemy mIndeks dolny nn(I = const; t) = k·I·t = (k·I)·t = kIndeks dolny 11·t. W nawiasie zebrano wielkości stałe (k oraz I); odtwarzają one stałą kIndeks dolny 11. Uzyskana zależność jest proporcjonalna.
W przypadku zależności (4) uzyskujemy mIndeks dolny nn(I = const; t) = kIndeks dolny 11·t + (kIndeks dolny 22·I). W nawiasie zebrano wielkości stałe (kIndeks dolny 22 oraz I). Jednak uzyskana zależność nie jest proporcjonalna: jest wprawdzie liniowa, ale ma różny od zera wyraz wolny – właśnie iloczyn (kIndeks dolny 22·I).
Analogiczne rozumowanie pokazuje, że z ogólnej zależności (3) uzyskamy proporcjonalny związek (2). Natomiast próba uzyskania go z ogólnej zależności (4) skończy się porażką: uzyskamy związek liniowy, ale nie proporcjonalny.
Uzupełnienie: Zależność mIndeks dolny nn(I; t) = k·I·t jest znana pod nazwą pierwszego prawa elektrolizy Faradaya. Stała k, charakterystyczna (w tym przypadku) dla miedzi pochodzącej z siarczanu (VI) miedzi (II) CuSOIndeks dolny 44, nazywa się jej równoważnikiem elektrochemicznym.
2
Ćwiczenie 10
Michaelowi Faradayowi przypisuje się następującą myśl:
„Reagujemy przyjaźnie na teorie zgodne z naszymi, natomiast jesteśmy niechętni tym, które nam się sprzeciwiają, podczas gdy zdrowy rozsądek podpowiada nam, aby działać w sposób całkiem przeciwny.”
Zapisz, w kilku zdaniach, swój pogląd na ten temat. Podaj, w zwartej formie, swoje argumenty za lub przeciw temu poglądowi. Zainteresuj tą myślą oraz swoją opinią nauczyciela j. polskiego, filozofii, etyki, innego przedmiotu i spróbuj go namówić na przeprowadzenie debaty na ten temat.