Лабораторная работа "Определение заряда иона водорода"
Теоретический материал. При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией. Например, электролит серной кислоты диссоциирует на ионы: H 2 SO 4 ⇄2 H + + SO 4 2 − . Под действием электрического поля внешнего источника на катоде будет выделяться водород: 2 H + +2 e ¯ = H 2 ↑ , на аноде вначале происходит нейтрализация ионов SO 4 2 − = SO 4 +2 e ¯ . Поскольку молекула SO4 нестойкая, то она распадается и при этом выделяется атомарный кислород: SO 4 = SO 3 +O↑ . Если электроды изготовлены из никеля или платины, то кислород не реагирует с ними и выделяется в виде пузырьков, а молекулы SO3 вступают в реакцию с водой: SO 3 + H 2 O= H 2 SO 4 ⇄2 H + + SO 4 2 − . Эти реакции показывают, что при электролизе происходит разложение воды на ионы: ионы водорода оседают на катоде, а кислорода — на аноде. Внешне процесс протекает так, что количество H2SO4 остается в растворе неизменным, а количество воды убывает, т. е. речь идет о разложении воды электрическим током. Поскольку при электролизе раствора серной кислоты образуются газообразные водород и кислород, то этим пользуются для определения заряда иона водорода. Для этого на стержни кюветы надевают угольные электроды, наливают в кювету 10%-ный раствор серной кислоты и подключают электроды в электрическую цепь (рис. 47). Далее на электроды надевают две одинаковые, полностью заполненные кипяченой водой, охлажденной до комнатной температуры, градуированные пробирки. Одновременно с пуском секундомера замыкают электрическую цепь.
Рис. 47
Газы, выделяющиеся на электродах, вытесняют воду из пробирок. Когда уровень воды в пробирке с водородом сравняется с уровнем электролита в кювете, цепь размыкают и находят давление водорода: p = pатм − pпар, где pпар — давление насыщенного водяного пара при температуре в данном помещении (это табличное значение). Далее из уравнения состояния газа находят объем, который займет полученный водород при нормальных условиях:
p 0 V 0 T 0 = pV T , V 0 = pV T 0 p 0 T . Зная, что 1 моль газа при нормальных условиях занимает объем V0 = 22 400 мл и при этом содержит NA = 6,022 · 1023 молекул, можно определить число выделившихся молекул водорода N= V N A V 0 . Число ионов водорода в 2 раза больше числа N его молекул, поэтому заряд одного иона водорода e= Q 2N = Ir 2N . Цель работы: экспериментально определить заряд иона водорода. Приборы и материалы: кювета с угольными электродами, две одинаковые пробирки с метрическими шкалами, 10%-ный раствор серной кислоты, мультиметр, адаптер, реостат-потенциометр, провода соединительные. Указания к работе: 1. В кювету с двумя угольными электродами налейте столько электролита, чтобы его уровень был примерно на 5 мм выше высоты электродов. 2. Соберите электрическую цепь по схеме на рисунке 47, замкните цепь и после появления пузырьков газа на электродах разомкните. 3. Наполните две пробирки до краев кипяченой водой и поочередно, заткнув их пальцем, наденьте на электроды. 4. Замкните электрическую цепь и пропускайте через электролит постоянный ток до тех пор, пока уровень воды в пробирке, надетой на катод, не сравняется с уровнем воды в кювете. Далее цепь разомкните и зафиксируйте время пропускания тока.
