Інформація для викладачів
Опис
Експериментальна установка
Закони Фарадея часто називають основними законами електролізу, оскільки вони описують процес електролізу.
У цьому експерименті учні вивчають 1-й закон Фарадея на прикладі електролізу, який стверджує, що кількість речовини, яка осаджується на електроді, пропорційна електричному заряду, що проходить через електроліт.
(Джерело: Майкл Фарадей: Експериментальні дослідження з електрики. Сьома серія. В: Філософські праці Лондонського королівського товариства. Стрічка124,січень 1834 року, с.77-122).
Додаткова інформація для викладачів (1/2)
Попередні знання
Учні вже повинні бути знайомі з принципом електролізу. Вони також повинні бути знайомі з перенесенням заряду, силою струму і провідністю. Крім того, вони повинні мати базові теоретичні знання про закони Фарадея.
Принцип
Перший закон Фарадея, опублікований Майклом Фарадеєм у 1834 році, стверджує, що кількість речовини, яка осідає на електроді, пропорційна електричному заряду, що проходить через електроліт. (Джерело: Майкл Фарадей: Експериментальні дослідження з електрики. Сьома серія. В: Філософські праці Лондонського королівського товариства, Том124,січень 1834 року, с.77-122).
Додаткова інформація для викладачів (2/2)
Мета навчання
Учні експериментально знайомляться з першим законом Фарадея і доводять його справедливість. Вони дізнаються, що кількість речовини, яка виділяється під час електролізу, пропорційна добутку сили струму на час.
Завдання
Учні досліджують процес електролізу і перевіряють перший закон Фарадея за допомогою зважування електродів. У цьому експерименті учні протягом трьох різних періодів часу (5, 10 і 15 хвилин) пропускають електричний струм через розчин мідного купоросу і зважують кількість міді, що осаджується на електроді.
Інструкції з техніки безпеки
- Одягайте захисні окуляри та рукавички.
- Правила роботи з небезпечними речовинами наведено у відповідних паспортах безпеки.
- До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів на уроках з природничих наук
Теорія
- Під час електролізу на позитивному електроді (аноді) утворюються бульбашки, а на негативному електроді (катоді) - мідь.
- Елементарний кисень утворюється з води на аноді, а елементарна мідь - з іонів міді на катоді.
- Якщо під час електролізу вимкнути джерело напруги (акумулятор), дрібнодисперсний осад міді легко відпадає з електрода. Тому після електролізу електрод необхідно ретельно зважити.
- Електроліз проводиться протягом трьох різних інтервалів часу (5, 10 і 15 хвилин). Для економії часу рекомендується щоразу використовувати нові мідні електроди (очищення електродів займає деякий час).
Інформація для учнів
Мотивація
Алюмінієва банка для напоїв
Закони Фарадея були відкриті та описані Майклом Фарадеєм у 1834 році. Вони лежать в основі електролізу, який ми знаємо сьогодні.
Електроліз в основному використовується для видобутку металів, а також для їх очищення. Електрохімічним способом можна видобувати, зокрема, такі метали, як алюміній і мідь.
Перший закон Фараді стверджує, маса речовини, осадженої на електроді під час електролізу, прямо пропорційна кількості електрики, переданої на цей електрод. Цей важливий базовий принцип електрохімії досліджується в цьому експерименті.
Завдання
- Встановіть експериментальну установку для електролізу, як показано на рисунку, і розпочніть електроліз.
- Виміряйте масу мідних електродів до і після електролізу (точні ваги!) і запишіть свої спостереження.
- Проведіть електроліз з трьома різними періодами часу (5, 10 і 15 хвилин).
- Продемонструйте, що (при постійній силі струму): ~ (маса міді пропорційна добутку сили струму на час).
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Захисні окуляри, прозорі | 39316-00 | 1 |
| 2 | Цифровий мультиметр, 750В AC/DC, 10A AC/DC, 40МОм, 100мФ, 30 МГц, -20...1000°C, автодіапазон | 07123-12 | 1 |
| 3 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 250 мм, червоний | 07355-01 | 1 |
| 4 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 250 мм, синій | 07355-04 | 1 |
| 5 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 500 мм, червоний | 07356-01 | 1 |
| 6 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 500 мм, синій | 07356-04 | 1 |
| 7 | Плоска батарея, 4,5 В, 3R 12 DIN 40869 | 07496-01 | 1 |
| 8 | Ванночка, рифлена, без кришки, 90 x 74 x 43 мм | 34568-01 | 1 |
| 9 | Мідний електрод, 76x40 мм | 45212-00 | 2 |
| 10 | Перехідний штекер, гніздо 4 мм/ 2 мм, 2 шт. | 11620-27 | 1 |
| 11 | Затискач типу "Крокодил", з ізоляцією, 2 мм, 2 шт. | 07275-00 | 2 |
| 12 | Купрум (ІІ) сульфат-5-гідрат | 30126-25 | 1 |
Підготовка (1/2)
Підготовка (1/2) - Підготовка електроліту
- Очистіть два мідні електроди. Якщо потрібно, використовуйте сталеву вату або наждачний папір і зачистіть їх дочиста.
- За необхідності приготуйте розчин мідного купоросу ( рисунок вгорі праворуч). Розчин мідного купоросу під час електролізу є електролітом.
- Додайте до 100 мл дистильованої води приблизно 0,8 г купрум(II) сульфату пентагідрату () .
- Перемішуйте до повного розчинення порошку.
- Вода повинна була набути злегка блакитного кольору ( рисунок внизу праворуч).
- Зважте обидва електроди перед тим, як помістити їх у рифлену ванночку.
Розчин мідного купоросу
розчин блакитного кольору
Підготовка (2/2)
Підготовка (2/2) - Вимірювання напруги
Експериментальна установка з паралельно підключеним мультиметром для вимірювання напруги.
- Спочатку змішайте електроліт. Для цього додайте приблизно 85 мл розчину мідного купоросу і 15 мл розведеної сірчаної кислоти в рифлену ванночку.
- Тепер налаштуйте електролізер, як показано на рисунку праворуч. Паралельно в електричне коло підключіть мультиметр.
- Електроди, а також затискачі типу "крокодил" на електродах не повинні торкатися один одного, але повинні знаходитися близько один до одного.
- Тепер затискаємо батарею в електричне коло і зчитуємо напругу на мультиметрі. Для успішного електролізу потрібно не менше 2 В.
Виконання роботи (1/2)
- Зберіть електричне коло, як показано на рисунку праворуч. Мультиметр тепер підключено послідовно для вимірювання струму.
- Обов'язково зверніть увагу на те, який електрод, тобто яка мідна пластина, підключена до позитивного полюса, а який до негативного полюса батареї. Якщо піднімаються пари, не вдихайте їх!
- Увімкніть мультиметр і встановіть його на вимірювання сили струму. Підключіть акумулятор.
- Дайте електролізу протікати протягом 5 хвилин і запишіть значення, яке показує мультиметр.
Експериментальна установка з послідовно підключеним мультиметром для вимірювання сили струму.
Виконання роботи (2/2)
- Завершіть електроліз: вимкніть батарею і зачекайте, поки вода охолоне.
- Вимийте обидва електроди, висушіть їх і зважте. Обчисліть зміни у їхній масі.
- Тепер очистіть мідні електроди, знову зважте їх і проведіть електроліз з часом реакції 10 або 15 хвилин.
- Тепер внесіть зміну маси і відповідну тривалість на графік.
Якщо придивитися уважніше, можна побачити, що між електродами утворюється газ
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання