Czy prąd przepływający przez ciecz zmienia Zadanie Zmierzenie charakterystyki prądowo-napięciowej elektrolitu zawierającego roztwór siarczanu miedzi dla elektrod miedzianych. Obserwacja widocznych zmian elektrod i elektrolitu. Materiały 1 Cobra4 Wireless Manager 12600.00 1 Cobra4 Wireless-Link 12601.00 1 Czujnik Cobra4 Elektryczność, ± 6 A, ± 30 V 12644.00 1 Zasilacz 0-12 V DC/6V AC 13505.93 1 Wanienka, rowkowana, bez pokrywy 34568.01 2 Elektroda miedziana 76 mmx40 mm 45212.00 1 Siarczan (VI) miedzi (II), krystaliczny, 250 g 30126.25 1 Szklany pręt, boro 3,3, l = 200 mm, d = 5 mm 40485.03 2 Krokodylki 167700 2 Przewód 250 mm, 32A, czerwony 07360.01 1 Przewód 250 mm, 32A, niebieski 07360.04 1 Przewód, 500 mm, czerwony 07361.01 1 Przewód, 500 mm, niebieski 07361,04 1 Oprogramowanie Cobra4 licencja szkolna 14550.61 Woda demineralizowana Dodatkowe materiały 1 Komputer PC z portem USB, Windows XP lub nowszy Siarczan (VI) miedzi (II) jest szkodliwy dla zdrowia. Nie połykać go! Drażni oczy i skórę. Nie wdychaj pyłu. Załóż okulary ochronne. Rys. 1 Przygotowanie doświadczenia 1
Przygotowanie doświadczenia Czy prąd przepływający przez ciecz zmienia Przygotuj doświadczenie zgodnie z Rysunkiem 1, szczegółowe zdjęcie znajduje się na Rysunku 2, a schemat na Rysunku 3. Oczyść elektrodą miedzianą, aby usunąć wierzchnią warstwę użyj gąbki. W uporczywych przypadkach użyj stalowej wełny lub papieru ściernego. Wlej 100 ml demineralizowanej wody do rowkowanej wanienki i rozpuścić w niej 0,8 g (czubatą łyżkę) CuSO 4 5 H 2O (pięciowodzianu siarczanu (VI) miedzi (II)). Ustaw regulator napięcia zasilacza na 0, natężenie prądu ogranicz do 1 A, następnie włącz zasilacz. Wykonanie doświadczenia Uruchom komputer i system operacyjny Windows. Podłącz Wireless Manager Cobra4 do gniazda USB. Uruchom pakiet oprogramowania measure na PC. Podłącz Cobra4 Wireless - Link do czujnika Elektryczność - Natężenie prądu/napięcie, ± 6 A, ± 30 V i uruchom go. Czujnik połączy się z programem i zaloguje się w Nawigatorze. Załaduj doświadczenie (Eksperyment > Otwórz eksperyment). Ustalą się wszystkie niezbędne ustawienia wstępne do zapisu mierzonych wartości. Rozpocznij rejestrowanie mierzonych wartości w measure. Rys. 2: Przygotowanie kąpieli elektrolitycznej. Umieść elektrody Zwiększaj napięcie w krokach co 0,2 (do 3 V), odczekaj 20 w sąsiednich rowkach i nachyl w tym sekund po każdej zmianie. samym kierunku tak, aby były równoległe Podczas pomiarów, obserwuj elektrody i zachowanie się względem siebie. Nie dopuść do zetknięcia prądu. się elektrod i krokodylków. Zakończ pomiary i wyślij dane pomiarowe do programu głównego measure do dalszej analizy, Przełącz napięcie z powrotem na 0. Wyjmij płytki miedziane z roztworu i uważnie je obejrzyj, zapisz obserwacje. Na koniec usuń roztwór siarczanu miedzi i wyczyścić elektrody oraz naczynie z rowkami ponownie wyszoruj je gąbką, a następnie umyć ręce. Rys. 3: Schemat układu. Plus i minus są podłączone do zasilacza. Rys. 4: Okno pomiarowe. 2
Czy prąd przepływający przez ciecz zmienia Analiza wyników 1. Opisz co zobaczyłeś na katodzie, czyli na miedzianej płytce, która była połączona z biegunem ujemnym źródła napięcia. 2. Opisz co zobaczyłeś na anodzie, czyli na miedzianej płytce, która była połączona z biegunem dodatnim źródła napięcia. 3. Jak zmienia się natężenie prądu w czasie, gdy napięcie pozostaje stałe po każdym wzroście (poniżej 1,2 V)? 4. Jak zmienia się natężenie prądu w czasie, gdy napięcie pozostaje stałe po każdym wzroście (przy napięciach od 1,2 V do 2V)? 5. Jak zmienia się natężenie prądu w czasie, gdy napięcie pozostaje stałe po każdym wzroście (powyżej 2V)? 6. Zanalizuj charakterystykę prądowo-napięciową. Czy dostrzegasz prawo Ohma? 7. Czy proces transportu ładunku jest taki sam w różnych zakresach napięć? 3
Czy prąd przepływający przez ciecz zmienia 8. Sformułuj równanie reakcji dla najprostszego sposobu transportu ładunku na anodzie i katodzie. Ten proces, który aktywuje się pod napięciem 1,2 V jest stosowany do elektrolizy komórkowej. Katoda:.. Anoda: 9. Czy, jeśli elektrody zostały wykonane z grafitu, prąd może również płynąć poniżej 1,2 V? Uwaga: możliwe są inne reakcje: Dla potencjału deponowania tlenu 1,2 V: Anoda: 6H 2O O 2 + 4H 3O + + 4e - (tworzenie tlenu i kwasu siarkowego) Dla potencjału deponowania wodoru 4,5 V: Katoda: 2H 2O + 2e - H 2 + 2OH - (tworzenie wodoru) 10. Dlaczego, gdy zastosujemy wzory reakcji podane w punkcie 9, natężenie prądu spada przy napięciach powyżej 1,2 V, ale poniżej 2 V? 11. Jakościowo opisz zachowanie się natężenia prądu na charakterystyce prądowo-napięciowej dla roztworu siarczanu miedzi z elektrodami grafitowymi. 4
Elektroliza (Czy prąd przepływający przez ciecz zmienia Eksperyment ten powinien pozwoli uczniom zrozumieć różne procesy zachodzące w trakcie transportu ładunku za pomocą rozpuszczonych jonów. Uwaga Eksperyment może być przedłużony na wyższe zakresy napięcia. Można byłoby wtedy wyjaśnić poprawę przewodności spowodowaną ogrzaniem roztworu. Środki bezpieczeństwa Siarczan (VI) miedzi (II) jest szkodliwy dla zdrowia. Nie połykać go! Drażni oczy i skórę. Nie wdychaj pyłu. Załóż okulary ochronne. Utylizacja Roztwór umieść w odpowiednio oznaczonym pojemniku na jony i sole metali ciężkich i po napełnieniu poddaj utylizacji przez odpowiednie służby. Analiza wyników 1. Na powierzchni katody, od strony anody, uformował się ciemny nalot, który oddziela się od powierzchni, gdy warstwa jest grubsza. Dokładniejsze oględziny pozwalają stwierdzić, że nalotem jest metaliczna miedź. 2. Anoda, po stronie zwróconej ku katodzie, uległa trawieniu. 3. Poniżej 1,2 V, natężenie prądu z czasem, pozostaje stałe. 4. W zakresie od 1,2 do 2 V natężenie prądu, dla stałych napięć spada z czasem. 5. Powyżej 2 V, natężenie prądu, wraz ze wzrostem napięcia, przechodzi od zmniejszania się do zwiększania się. 6. Prawo Ohma nie działa z dwóch powodów: 1) Omowa rezystancja jest zawsze niezależna od czasu. 2) Charakterystyka prądowo-napięciowa nie jest linią prostą, która przechodzi początek układu współrzędnych. 7. Zachowanie się w natężenia prądu w czasie i charakterystyka prowadzą do założenia, że dla różnych napięć reakcje są różne. 8. Katoda: Cu 2+ + 2e - Cu Anoda: Cu Cu 2+ + 2e - 9. Jeżeli elektrody byłyby wykonane z grafitu, powyższe reakcje na anodzie by nie wystąpiły i transportu ładunku nie byłby możliwy, ponieważ zastosowanie napięcia mniejszego niż 1,2 V jest zbyt małe dla innych reakcji. 10. Na anodzie tworzone są nie tylko jony miedzi, poza nimi powstają tam także jony H 3O +, a ponadto miedź osadza się na katodzie. Zatem stężenie jonów miedzi się zmniejsza, a zatem ogranicza się stężenie nośników prądu, pozwalających na transport ładunku, ponieważ jony H 3O + nie mogą przyjmować żadnych elektronów na katodzie przy napięciu 1,2 V. 5
Elektroliza 11. Poniżej 1,2 V charakterystyka prądowo-napięciowa komórki elektrolitycznej składającej się z roztworu siarczanu miedzi i grafitowych elektrod jest zerowa - żaden prąd nie popłynie. Między 1,2 V i 4,5 V prąd będzie wzrastać wraz z napięciem, przy czym na anodzie będzie powstawać kwas siarkowy, a na katodzie osadzać się będzie miedź. Przy 4,5 V charakterystyka stanie się płaska, podobna do tej, która powstaje przy napięciu 1,2 V dla elektrod miedzianych. Będzie to wynikiem ubożenia roztworu elektrolitu w jony miedzi. Powyżej 4,5 V, natężenie prądu wzrośnie wraz z napięciem, co będzie wynikiem elektrolizy wody. Rys. 5: Zachowanie się napięcia i natężenia prądu w czasie Rys. 6: Te same pomiary, ale teraz natężenie prądu w funkcji napięcia. 6