Лабораторна робота . Визначення електрохімічного еквівалента речовини

 Мета роботи

       Експериментально визначити електрохімічний еквівалент k речовини;   закріпити навички роботи з електролітичною ванною, амперметром, вагами; розвинути вміння обробляти експериментальні дані та робити висновки.

Обладнання

·                 джерело постійного струму (стабілізоване, 1–6 В);

·                 амперметр (діапазон під відповідний струм);

·                 реостат (потенціометр) або резистор для обмеження струму;

·                 електролітична ванна (скляна посудина);

·                 електроліт (наприклад, розчин сульфату міді для досліду з міді — CuSO₄);

·                 електроди (анод і катод) — з металу, який досліджують (наприклад, мідний анод і мідний катод або інша конфігурація);

·                 електронні ваги (точність 0,001 г бажана);

·                 секундомір;

·                 пінцет, папір для сушіння, дистильована вода, паперові серветки;

·                 захисні окуляри, рукавички.

Правила техніки безпеки

1.              Працюйте в захисних окулярах і рукавичках.

2.              Не залишайте працююче джерело струму без нагляду.

3.              Не використовуйте пошкоджені дроти або оголені контакти.

4.              Розчини електролітів можуть бути токсичними — не торкайтеся їх руками, не ковтайте.

5.              Після закінчення роботи вимкніть джерело струму та вилийте розчин у спеціальний контейнер за інструкцією вчителя.

Теоретичні відомості (коротко й доступно)

За законом електролізу Фарадея маса речовини, що виділяється на електроді під час електролізу, пропорційна кількості електрики, яка пройшла через розчин:

m=k⋅Q=k⋅I⋅t ,

де
m — маса виділеної речовини (в грамах),

k — електрохімічний еквівалент (в г/Кл),

Q — заряд (в кулонах), Q=It,

I — сила струму (в амперах),

t — час (в секундах).

Зв’язок з молярними величинами:

де

M — молярна маса речовини (г/моль),

n — число електронів, що передаються в реакції (валентність іона),F — стала

 Фарадея (приблизно 964859648596485 Кл/моль).

(Для прикладу: для міді M_Cu=63,546 г/моль, n=2, отже очікуваний k_Cu≈3,29⋅10⁻⁴ г/Кл )

Хід роботи (покроково)

Підготовка

1.              Підготуйте електроліт (за інструкцією вчителя) та перелийте в електролітичну ванну.

2.              Встановіть електроди: один — анод (той, що буде розчинятися, якщо це потрібно), інший — катод (на ньому буде осад). Упевніться, що електроди надійно закріплені і контакти чисті.

3.              Зважте електрод(и), на яких очікується осад, на вагах з точністю до 0,001 г. Запишіть початкову масу m₀. Використовуйте пінцет і паперову підкладку — не торкайтеся електроду руками.

№	Речовина/ електрод	Початкова маса m0, г	Кінцева маса m1, г	Маса речовини m, г	Сила струму I, А	Тривалість електролізу t, с	Заряд Q, Кл
1
2

4.              Підключіть коло: джерело струму → реостат → амперметр → катод → електроліт → анод → назад до джерела. Переконайтесь, що амперметр ввімкнений правильно (послідовно).

Вимірювання

5.              Встановіть струм I на потрібне значення (наприклад, I=0,5 A). Фіксуйте значення амперметра.

6.              Увімкніть джерело струму і одночасно запустіть секундомір — починайте відлік часу.

7.              Тримайте струм протягом заданого часу t (наприклад, t=600 с=10 хв). Слідкуйте, щоб струм був стабільним — за потреби підкорегуйте реостат.

8.              Після закінчення вимкніть коло, вийміть електрод з розчину, акуратно промийте дистильованою водою, висушіть паперовою серветкою (аккуратно, щоб не зняти осад) і дочекайтеся кімнатної температури.

9.              Зважте електрод повторно — зафіксуйте кінцеву масу m₁.

10.          Обчисліть масу виділеної речовини: m=m₁−m₀. (У випадку розчинення анода масу можна визначати як зменшення маси анода; тоді m=m₀−m₁.)

Обчислення електрохімічного еквівалента

11.          Обчисліть заряд, що пройшов через ванну: Q=I⋅t (в кулонах).

12.          Знайдіть експериментальний електрохімічний еквівалент:

13.          Порівняйте експериментальний k_e з табличним (або з теоретичним обчисленням 

Оцініть відносну похибку:

Примітка щодо обчислень: під час ділення і множення обов’язково зберігайте значущі цифри відповідно до точності вимірювань (ваги, амперметр).

Додаткове експериментальне завдання (для дослідницької групи)

1.              Повторіть дослід для іншого металу (наприклад, срібла або заліза) і порівняйте значення k.

2.              Визначте, як похибка залежить від стабільності струму: проведіть серію вимірювань при різних струмах (0,2 А; 0,5 А; 1,0 А).

3.              Оцініть вплив тривалості електролізу на точність (короткі експерименти мають більшу відносну похибку через неточності зважування).

4.              Спробуйте обчислити сталу Фарадея F з експериментальних даних, скориставшись формулою 

 і порівняйте зі справжнім значенням.

Рефлексія діяльності учнів (питання для відповіді)

·                 Що я дізнався нового під час виконання роботи?

·                 Які джерела систематичних та випадкових помилок я виявив(-ла)?

·                 Як можна зменшити похибки в експерименті?

·                 Для яких практичних задач корисне знання електрохімічних еквівалентів?

Запитання для допитливих до ChatGPT

1.              Чому під час електролізу не завжди осад має ідеально чистий колір / структуру?

2.              Як пов’язаний електрохімічний еквівалент з масовою часткою металу в рудному концентраті?

3.              Як обчислити кількість речовини (в молях), що виділилася, з експериментального k?

4.              Які промислові процеси базуються на електролізі (коротко описати)?

5.              Як правильно утилізувати розчини після експерименту в шкільних умовах?