Электролитические ячейки

Источник: Смаа Корайм из Университета Джонса Хопкинса, доктор медицины, США

1. Электролитические элементы<кнопка class="развернуть">Развернуть

   В этом эксперименте вы будете собирать электролитическую ячейку для проведения гальванических работ. Электролитическая ячейка содержит анод и катод, соединенные источником питания, который приводит в действие неспонтанную окислительно-восстановительную реакцию в ячейке. Когда материал анода окисляется, ионы перемещаются на катод, где они восстанавливаются и покрываются.

   В данном эксперименте электролитическая ячейка содержит медный анод и латунный ключ для катода. При окислении анода образуются ионы меди (2+), которые затем восстанавливаются на латунном ключе, образуя тонкое покрытие из твердой меди.

   • Наденьте перчатки, защитные очки и лабораторный фартук, который нужно носить постоянно.
   • Получите один 10-омный резистор, один медный листовой электрод, один медный провод и один кусок наждачной бумаги.
   • Используйте наждачную бумагу для полировки латунного ключа и медного листа. Промойте ключ и медный электрод водой. Латунный ключ будет катодом, а медный лист — анодом.
   • Возьмите один стакан объемом 50 мл и стакан для часов к капюшону инструктора и получите примерно 20 мл ацетона. Поместите стекло часов на верхнюю часть стакана, чтобы предотвратить испарение, и верните его на свою скамью.
   • Пометьте другой стакан объемом 50 мл как "органические отходы".
   • Используйте одноразовую пипетку, чтобы промыть медный электрод и ключ ацетоном. Соберите излишки в стакан для отходов. Поместите ключ и медный электрод на бумажное полотенце для просушки.
   • Измерьте начальные массы ключа и медного электрода и запишите их значения в свой лабораторный блокнот.

     Таблица 1: Перенесенные моли Cu

     	Масса ключа (g)	Изменение массы (г)	Moles Cu plated	Масса Cu-электрода (г)	Изменение массы (г)	Moles Cu lost
     0 min
     5 min
     1st 30 min
     2nd 30 min

     Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 1
   • Настройте электролитическую ячейку. Используйте один электрический провод с зажимами типа «крокодил» для подключения отрицательной клеммы на аккумуляторе к датчику тока. Оберните резистор 10 Ом вокруг другого конца пробника тока.
   • Используйте другой провод для подключения положительной клеммы на аккумуляторе к медному электроду.
   • Оберните медный провод вокруг латунного ключа и используйте электрический провод для подключения резистора на токоизмерительном щупе к медному проводу на латунном ключе.
   • Получите около 200 мл концентрированного сульфата меди в стакане объемом 250 мл. Сумма не обязательно должна быть точной. Верните стакан обратно на скамью и поставьте его на пластину для перемешивания. Осторожно поместите магнитную мешалку в стакан и включите режим перемешивания на максимум.
   • Подключите систему сбора данных к текущему зонду и позвольте системе сбора данных обнаружить зонд. Он должен возвращать показания в амперах. Измените скорость на два сканирования в минуту и продолжительность на 5 минут.
   • Поместите латунный ключ в стакан. Повесьте его со стороны стакана так, чтобы ключ был почти полностью погружен в воду, но не касался магнитной мешалки. заметка: Медной проволоки не должно быть в растворе.
   • Поместите медный электрод в стакан, согнув его так, чтобы он свисал с края стакана. Убедитесь, что он не соприкасается с мешалкой или латунным ключом.
   • Запустите сканирование и позвольте ему собирать данные в течение 5 минут. Это будет действовать как тестовый прогон, чтобы убедиться, что на латунном ключе происходит покрытие.
   • После окончания сканирования снимите ключ и медный электрод. Медное покрытие на латунном ключе должно быть заметным. Если он не виден, проверьте цепь, чтобы убедиться, что батарея подключена в правильной ориентации.
   • После того как вы успешно завершите 5-минутное нанесение покрытия, отсоедините ключ и медный электрод от проводки. Снимите медный провод с ключа и промойте ключ и медный электрод водой, а затем ацетоном. Разложите их на бумажном полотенце для просушки.
   • Измерьте массу ключа и медного электрода и запишите их в свой лабораторный блокнот.
   • Соедините ключ и медный электрод и поместите их обратно в раствор, как и раньше. Перезапустите прогон в системе сбора данных, убедившись, что скорость установлена на два сканирования в минуту. Установив продолжительность на 30 минут, дайте начать процесс гальванического покрытия.
   • После завершения сканирования извлеките электрод и ключ из раствора, отсоедините их от проводов и промойте водой, а затем ацетоном. Дайте им высохнуть на бумажном полотенце, затем взвесьте их и запишите их массу в блокнот.
   • Соберите установку и повторите гальваническое покрытие для второго 30-минутного испытания. Когда сканирование будет завершено, снимите ключ и медный электрод, промойте их, как и раньше, и запишите их массу.
   • Сохраните записанные данные в виде текстового файла на флешке.
   • Чтобы навести порядок, выключите перемешивание и удалите мешалку из раствора с помощью щипцов. Выбросьте ацетон в контейнер для органических отходов, предоставленный вашим инструктором. Раствор сульфата меди можно повторно использовать для будущих лабораторий, поэтому вылейте концентрированный сульфат меди обратно в карбой.
   • Промойте всю свою стеклянную посуду водой и верните ее инструктору.
2. Результаты<кнопка class="развернуть">Развернуть
   • Сначала рассчитайте общий заряд Q, который прошел через систему во время различных испытаний. Один кулон — это количество электричества, протекающего по проводу, несущему 1 ампер тока за 1 с, таким образом, Q = I x t.
   • Просмотрите текущие данные зонда для первого 5-минутного испытания гальванического покрытия. заметка: Если в конце испытания ток падал до 0 или приближался к 0, то электроны переставали поступать от медного электрода к ключу. Используйте только те значения, которые были записаны до того, как произошло падение тока. Если ток упадет до 0 в начале процесса нанесения покрытия, повторите испытание.
   • Ток меняется со временем, поэтому рассчитайте средний ток, I.

     Таблица 2: Моли переносимых электронов

     Trial	Время (с)	Текущеесреднее значение (A)	Общий заряд (C)	Родинки (e?)
     5 min
     1st 30 min
     2nd 30 min
     Всего

     Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 2
   • Используйте средний ток за общее время для определения общего заряда, передаваемого во время гальванического покрытия, Q. Около 20 кулонов было переведено во время 5-минутного испытания, и от 110 до 120 кулонов было переведено во время каждого 30-минутного испытания. Общий заряд, переданный за весь 65-минутный процесс гальванического покрытия, составил около 250 кулонов.
   • Используйте общий переданный заряд для вычисления молей электронов, покрытых во время каждого испытания. Моли покрытых электронов равны полному передаваемому заряду, деленному на постоянную Фарадея. Постоянная Фарадея представляет собой величину электрического заряда на моль электронов и определяется умножением заряда электрона на постоянную Авогадро.
   • Определите мили электронов, которые были перенесены для 5-минутных и 30-минутных испытаний.
   • Рассчитайте моли меди, которые были нанесены на ключ после каждого испытания. Аналогичным образом определяют моли меди, потерянные от медного листового электрода.
   • Сравните моли меди, которые были потеряны из электрода, с количеством, которое было нанесено на латунный ключ. Цифры должны быть близки.
   • Проверьте, соответствуют ли эти значения ожидаемым на основе количества молей электронов, которые были перенесены. Восстановление 1 моля ионов меди(2+) требует 2 моля электронов для получения 1 моля твердой меди.