WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Министерство образования Российской Федерации

Томский политехнический университет

Кафедра теоретической и экспериментальной физики

«УТВЕРЖДАЮ»

Декан ЕНМФ

И.П. Тюрин

2007 г.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДА ИОНА ВОДОРОДА

Методические указания к выполнению лабораторной работы Э-07а по курсу «Общая физика» для студентов всех специальностей Томск 2007 УДК 53.01 Определение заряда иона водорода. Методические указания к выполнению лабораторной работы Э-07а по курсу «Общая физика» для студентов всех специальностей.

Томск, изд. ТПУ С.М. 2007. – с.9 Составитель: С.Н. Гриняев Рецензент: Н.С. Кравченко Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром кафедры теоретической и экспериментальной физики.

Зав. кафедрой В.Ф. Пичугин «_»_2007 г.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить прохождение тока в электролитах, определить электрохимический эквивалент водорода и заряд иона водорода ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: Вольтаметр Гофмана, стабилизированный источник питания, миллиамперметр, секундомер.

ВВЕДЕНИЕ

Атом водорода Н состоит из электрона (е) и протона (р), имеющих противоположные по знаку заряды ± 1.6·10-19 Кл. При удалении электрона атом водорода превращается в положительно заряженный ион Н+ (протон). В данной работе для определения заряда Н+ используется явление электролиза, возникающее при прохождении электрического тока через электролиты - растворы солей, кислот, щелочей в растворителях. Электролиз (от греч. “лио”- разлагаю) состоит в выделении на электродах составных частей растворенных веществ. В качестве электролита используется водный раствор серной кислоты Н2SО4. За счет взаимодействия с полярными молекулами воды молекулы серной кислоты распадаются (диссоциируют) на ионы: Н2SО 2Н+ + SO4. Если в электролит поместить электроды и соединить их с полюсами источника тока, то под действием электрического поля положительные ионы водорода (катионы) будут двигаться к отрицательному электроду (катоду) и, достигнув его, примут недостающий отрицательный заряд, превратившись в нейтральные атомы водорода. Поэтому у катода будет происходить реакция Н+ + е Н. В результате попарных соединений атомов водорода у катода образуются молекулы водорода 2Н Н2. Отрицательные ионы кислотного остатка SO4 (анионы) будут двигаться в сторону положительного электрода (анода) и, достигнув его, распадаются на атом кислорода O и молекулу серного ангидрида SO3. Атомы кислорода объединяются в молекулы кислорода O 2. Сернистый ангидрид вступает в реакцию с водой, образуя вновь молекулу серной кислоты SO3 + Н2О Н2SО4. Таким образом, у анода вновь образуется серная кислота и выделяется газообразный кислород.

Следовательно, во время протекания тока через электролит происходит перенос вещества и разложение воды на составные части – водород и кислород, при этом одна молекула кислоты H 2 SO 4 дает одну молекулу H2 и один атом кислорода O. Для выделения на аноде одной молекулы кислорода O 2 необходима диссоциация двух молекул кислоты H 2 SO 4, при этом на катоде выделятся две молекулы водорода 2H 2. Поэтому объем выделившегося на катоде водорода будет в два раза больше объема выделившегося на аноде кислорода.

Если выделившиеся газы собрать по отдельности, то по занимаемому ими объему и при известных давлении и температуре можно определить число молекул, образовавшихся у электродов. Зная число молекул газа можно найти число ионов, а измерив перенесенный ими заряд Q, рассчитать заряд одного иона:

Заряды Q + и Q по величине равны и определяются силой тока и временем прохождения его через электролит.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

И ВЫВОД РАСЧЕТНЫХ ФОРМУЛ

Для разделения выделяющихся при электролизе газов используется вольтаметр Гофмана, представляющий собой три сообщающихся сосуда, в два из которых, заканчивающихся кранами K и K 2, впаяны электроды, а средний имеет воронку для наполнения сосудов электролитом. На рис.1 показана схема установки с прибором Гофмана и электрическая схема его подключения.

На крайних сосудах нанесены деления, позволяющие определять объем в миллилитрах, а на среднем – деления в миллиметрах для измерения высоты столба h. Вольтаметр Гофмана наполняется 10% водным раствором серной кислоты и с помощью электродов, впаянных в крайние сосуды, подключается к цепи, содержащей реостат R, миллиамперметр (mА), ключ K и источник постоянного тока Б.

При прохождении тока через электролит в сосуде с катодом накапливается водород, а в сосуде с анодом – кислород. Эти газы вытесняют из крайних сосудов электролит и создают над поверхностью электролита давление, которое уравновешивается атмосферным давлением и давлением избыточного столба жидкости в среднем сосуде по отношению к уровню жидкости в крайних сосудах.

Запишем условие равновесия для среднего и крайнего сосуда, в котором выделяется водород (на рис.1 это правый сосуд 2). На поверхность жидкости в сосуде 2 оказывают давление выделившийся водород ( PH 2 ) и пары воды ( PH 2O ). Сумма парциальных давлений PH 2 + PH 2O должна уравновешиваться атмосферным давлением Р ат и давлением Ph вытесненного столбика электролита высотой h в среднем сосуде:

Это условие равновесия должно сохраняться в течение всего процесса электролиза.

При протекании через электролит тока силой I в течение времени t ионы водорода переносят к катоду заряд:



Такой же заряд, но обратного знака, переносят кислотные остатки к аноду.

Согласно первому закону Фарадея, масса выделившегося на катоде водорода M пропорциональна перенесенному заряду Q где К – электрохимический эквивалент вещества, численно равный массе вещества, выделяемого током силой 1А за 1с.

Согласно второму закону Фарадея электрохимический эквивалент вещества пропорционален его молярной массе µ и обратно пропорционален его валентности z F = 96484 Кл/моль – постоянная Фарадея.

где Для молекулы водорода K Н2 = 0.01045 10-6 кг/Kл.

Учитывая, что каждая молекула водорода образована из двух атомов, можно определить число ионов водорода:

где m H 2 = 3.35 10 кг - масса одной молекулы H 2.

Массу выделившегося водорода находим из уравнения состояния идеального газа:

где R - 8.31 Дж/(мольК) – универсальная газовая постоянная, V - объем выделившегося газа водорода, T - температура газа.

Подставив (6) в (5), получаем число ионов водорода:

Используя (3) и (7), из выражения (1) находим формулу для заряда иона водорода:

Масса одной молекулы водорода связана с его молярной массой мН2 выражением:

где N A = 6, 022 10 моль - число Авогадро. Подставляя (9) в (8), получаем окончательную формулу для вычисления заряда иона водорода Н+:

где k = Используя (4) и (6), находим формулу для вычисления электрохимического эквивалента водорода Таким образом, для определения заряда иона водорода q и вольтаметра Гофмана необходимо измерить объем V и температуру T водорода, силу тока I и время его прохождения t через электролит, а также рассчитать парциальное давление водорода PH 2.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собирают цепь по схеме рис.1.

стабилизированным источником питания) ток, величину которого задает преподаватель, и через некоторое время, когда электролиз насытится выделяющимися газами, пузырьки которого начнут выходить в окружающий воздух, закрывают краны K 1 и K 2 и отмечают время начала измерения.

3. С помощью реостата поддерживают ток постоянным в течение времени, указанного преподавателем, затем отмечают время и размыкают ключ K.

4. Дают остыть вольтаметру до комнатной температуры Т.

5. Определяют парциальное давление водорода PH 2 из формулы (2).

Атмосферное давление Pат измеряют барометром, учитывая, что мм рт. ст. = 133,3 Па. Измерив разность уровней электролита h рассчитывают давление Ph = gh, где g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения, - плотность электролита (в нашем случае при 10% электролите она равна = 1,1 103 кг/м3). Вычисляют давление насыщенных паров воды PH 2O = Pt, где – эмпирический коэффициент, зависящий от концентрации электролита и равный в данном эксперименте = 0,9 ; Pt давление насыщенного водяного пара при комнатной температуре, определяемое из таблицы 1. Парциальное давление водорода находят из выражения:

6. Объем выделившегося водорода V определяют по делениям на крайних сосудах вольтаметра.

7. Измеренные и вычисленные величины заносят в таблицу 2.

8. Опыт проводят не менее 2 раз при разных значениях тока. Для каждого значения тока по формуле (9) определяют заряд иона водорода q, а по формуле (10) - электрохимический эквивалент водорода K Н2. Находят средние значения q ср, K H 2 ср.

9. Рассчитывают относительную погрешность измерения заряда q и электрохимического эквивалента K Н2 по формуле:

Находят абсолютные погрешности q + = q cp, K H 2 = K H 2 cp.

10. Записывают окончательные результаты K H 2 cp ± K H 2, сравнивают их с известными значениями и делают вывод.

Таблица 1. Давление насыщенного водяного пара Pt 1. В чем заключается явление электролитической диссоциации ?

2. Сформулируйте 1 и 2 законы Фарадея.

3. Какой заряд несет ион водорода ?

4. У какого электрода выделившийся объем газа больше ?

5. Что влияет на величину электропроводности электролитов ?

6. Каков смысл электрохимического эквивалента ?

1. Д.В. Сивухин, Общий курс физики, т.3, изд. Наука, М. 1983 г.

2. Физический практикум под редакцией В.И. Ивероновой, изд. физмат. литературы, М., 1962 г.

3. Руководство к лаб. занятиям по физике, изд. Наука, М., 1973 г.




Похожие работы:

«Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО Московский архитектурный институт (государственная академия) А.А. Климухин Е.Г. Киселева Проектирование акустики зрительных залов Учебно-методические указания к курсовой расчетно-графической работе Москва МАРХИ 2012 1 УДК 534.2 ББК 38.113 П 79 Климухин А.А., Киселева Е.Г. Проектирование акустики зрительных залов: учебно-методические указания к курсовой расчетно-графической работе / А.А. Климухин, Е.Г. Киселева. — М.: МАРХИ, 2012. —...»

«Н.П. Белов, А.С. Шерстобитова, А.Д. Яськов СПЕКТРЫ ИНФРАКРАСНОГО ОТРАЖЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ С ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ВЕЩЕСТВА Методические указания по выполнению курсовой работы Санкт-Петербург 2013 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ Н.П. Белов, А.С. Шерстобитова, А.Д. Яськов СПЕКТРЫ ИНФРАКРАСНОГО ОТРАЖЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ С...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В. А. Стародубцев СОЗДАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО КОНСПЕКТА ЛЕКЦИИ Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Издательство Томского политехнического университета 2010 УДК 378.3:004(075.8) ББК Ч481.23я73 C77 Стародубцев В.А. С77 Создание и применение электронного...»

«Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) В.В. Горлач, Н.А. Иванов, М.В. Пластинина ФИЗИКА: СРС Учебное пособие Под редакцией В.В. Горлача Допущено Научно-методическим Советом по физике Министерства образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям и специальностям Омск СибАДИ 2009 1 УДК 53 (075.8) ББК 22.3 Г 69 Рецензенты: В.И. Суриков...»

«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УТВЕРЖДАЮ Проректор В.С.Бухмин ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Современные методы экспериментальной физики Цикл ФТД ГСЭ - общие гуманитарные и социально-экономические дисциплины; ЕН - общие математические и естественнонаучные дисциплины; ОПД - общепрофессиональные дисциплины; ДС - дисциплины специализации; ФТД - факультативы. Специальность: 010400 – Физика (Номер специальности) (Название специальности) Принята на заседании кафедры физики твёрдого тела (Название...»

«Библиографија Монографије 1. Экзистенциальные проблемы этики творчества Н. Бердяева. М.,2002. - 124 с. – 7,75 п.л. 2. Экзистенциальная диалектика Н. Бердяева как метод современной философии. М., 2004. с. -14,25 п.л. 3. Философия культуры Н.А. Бердяева и актуальные проблемы современности. М., 2005. с. – 13,75 п.л. Студије 1. Учебно-методическое пособие для студентов и аспирантов по курсу “Философии культуры Николая Бердяева”. Москва, 2004. – 24 с. – 3 п.л. 2. Проблема рациональности современной...»

«Министерство образования Российской Федерации Ростовский государственный университет Бессчетнов И.И., Машкина Е.В. Методические указания к практической части курса ГИСТОЛОГИЯ для студентов заочного и вечернего отделений биолого-почвенного факультета Издание 2-е, исправленное и дополненное Ростов-на-Дону 2001 2 Печатается по решению издательской комиссии по биологическим наукам Ростовского госуниверситета. Протокол № 5 от 22 июня 2001 года Ответственный за выпуск: зав. кафедрой генетики,...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ _ Утверждаю Зам. директора ЮТИ ТПУ по УР _ В.Л. Бибик _ 2008г. 100 ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ С РЕШЕНИЯМИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ ЗНАНИЙ ПО ФИЗИКЕ Методические указания по физике для студентов 1, 2 курса очной, очно-заочной и заочной форм обучения всех специальностей Издательство Юргинского технологического института...»

«Методические указания по выполнению семестрового задания по курсу уравнения математической физики. Целью семестровых работ является сопоставление основных свойств решения волнового уравнения и уравнения упругих колебаний тела полученных с помощью численного и аналитического решения. Выполнение работ проводится с помощью комплекса моделирования ФРУНД. Установка комплекса: 1. Скопировать директорию utilf в корневой каталог диска. 2. Убрать атрибуты чтения у всех файлов utilf (команда attrib –r...»

«СЕВЕРНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра военной и экстремальной медицины И.Г. Мосягин, А.А. Небученных, В.Д. Алексеенко, И.М. Бойко Медицинская служба гражданской обороны Учебное пособие по медицинской службе гражданской обороны для студентов высших медицинских учебных заведений обучающихся по специальностям: 040100 – лечебное дело 040200 – педиатрия 040300 – медико-профилактическое дело 040400 – стоматология 040500 – фармация 040800 – медицинская биохимия 040900 – медицинская...»




 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.