Czy prąd przepływający przez ciecz zmienia jej własności chemiczne?

Czy prąd przepływający przez ciecz zmienia
jej własności chemiczne?
Zadanie
Zmierzenie charakterystyki prądowo-napięciowej elektrolitu zawierającego roztwór siarczanu miedzi
dla elektrod miedzianych. Obserwacja widocznych zmian elektrod i elektrolitu.
Materiały
1 Cobra4 Wireless Manager
1 Cobra4 Wireless-Link
1 Czujnik Cobra4 Elektryczność, ± 6 A, ± 30 V
1 Zasilacz 0-12 V DC/6V AC
1 Wanienka, rowkowana, bez pokrywy
12600.00
12601.00
12644.00
13505.93
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
1 Przewód 250 mm, 32A, niebieski
1 Przewód, 500 mm, czerwony
07360.01
07360.04
07361.01
1 Przewód, 500 mm, niebieski
07361,04
1 Oprogramowanie Cobra4 – licencja szkolna
Woda demineralizowana
14550.61
Siarczan (VI) miedzi (II) jest szkodliwy
dla zdrowia. Nie połykać go! Drażni
oczy i skórę. Nie wdychaj pyłu. Załóż
okulary ochronne.
Dodatkowe materiały
1 Komputer PC z portem USB, Windows XP lub nowszy
Rys. 1 Przygotowanie doświadczenia
1
Czy prąd przepływający przez ciecz zmienia
jej własności chemiczne?
Przygotowanie doświadczenia

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)
CuSO4·5 H2O (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.
2
Rys. 4: Okno pomiarowe.
Czy prąd przepływający przez ciecz zmienia
jej własności chemiczne?
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
jej własności chemiczne?
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: 6H2O ⟶ O2 + 4H3O+ + 4e- (tworzenie tlenu i kwasu siarkowego)
 Dla potencjału deponowania wodoru 4,5 V:
Katoda: 2H2O + 2e- ⟶ H2 + 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 jej własności chemiczne?
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: Cu2+ + 2e- ⟶ Cu
Anoda: Cu ⟶ Cu2+ + 2e9. 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 H3O+, 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 H3O+ 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