Разделы 
Дополнительно
Задача по физике - 3822
2017-07-12 
В вашем распоряжении имеются раствор соли азотнокислого серебра $AgNO_{3}$, источник постоянного тока (батарейка), амперметр с неотградуированной шкалой, графитовый и платиновый стержни. Как, пользуясь всем этим, отградуировать амперметр?
Решение:
С указанной целью можно осуществить процесс электролиза раствора азотнокислого серебра в воде. Для этого необходимо собрать замкнутую электрическую цепь, как показано на рисунке. Графитовый и платиновый стержни играют роль электродов и погружены в раствор электролита, находящийся в электролитической ванне. Будучи изготовлены из инертных материалов сами они в процессе электролиза, т.е. окислительно-восстановительной реакции, которая протекает под действием и при участии электрического тока, в химические реакции не вступают.
В растворе молекулы азотнокислого серебра под влиянием электрического поля полярных молекул воды диссоциируют, т.е. распадаются, на положительные ионы (катионы) серебра $Ag^{+}$ и отрицательные ионы (анионы) кислотного остатка $NO_{3}^{-}$. Под воздействием электрического поля, создаваемого в цепи источником постоянного тока, ионы серебра будут смещаться к отрицательному электроду (катоду), а достигнув его будут нейтрализованы имеющимися на катоде избыточными электронами и, превратившись в нейтральные атомы серебра, будут оседать на катоде. Ионы кислотного остатка будут двигаться к положительному электроду (аноду) и, взаимодействуя на его поверхности с продуктами диссоциации молекул воды, будут образовывать легко диссоциирующие молекулы азотной кислоты и вызывать образование газообразного кислорода. Приведем уравнения соответствующих химических реакций:
$Ag NO_{3} \rightarrow Ag^{+} + NO_{3}^{-}$
$Ag^{+} + e^{-} \rightarrow Ag$
$2H_{2}O - 2e^{-} \rightarrow 4H^{+} + O_{2} \uparrow$
$NO_{3}^{-} + H^{+} \leftrightarrow HNO_{3}$
$4 Ag HO_{3} + 2H_{2}O \rightarrow 4Ag + 4 HNO_{3} +O_{2} \uparrow$
Обратим внимание, что движение двух ионов $Ag^{+}$ и $NO_{3}^{-}$ в электролите соответствует перемещению в внешней цепи (от анода к катоду) одного электрона, поэтому при расчете силы тока можем принимать во внимание движение только одного сорта ионов, например, серебра.
$I = \frac{en \Delta N}{ \Delta t} = \frac{en}{ \Delta t} \cdot \frac{ \Delta m}{ \mu} \cdot N_{A}$,
где $e$ — заряд электрона, $n$ — валентность иона и $\mu$ — молярная масса ионов данного сорта, $N_{A}$ — число Авогадро, $\Delta N$ и $\Delta m$ - количество и масса ионов данного сорта соответственно, достигших электрода за время $\Delta t$ протекания постоянного тока $I$ через электролит. Отсюда легко получить выражение закона Фарадея для электролиза.
$\Delta m = k \cdot I \cdot \Delta t$,
где $k = \frac{ \mu}{en N_{A}}$ - электрохимический эквивалент вещества.
Измеряя скорость $\frac{ \Delta m}{ \Delta t}$, с которой осаждается на отрицательном электроде серебро и используя закон Фарадея, можно найти силу электрического тока $I$. Скорость осаждения серебра на электродах измеряется посредством их взвешивания до и после пропускания электрического тока через ванну в течение промежутка времени $\Delta t$.
В вашем распоряжении имеются раствор соли азотнокислого серебра $AgNO_{3}$, источник постоянного тока (батарейка), амперметр с неотградуированной шкалой, графитовый и платиновый стержни. Как, пользуясь всем этим, отградуировать амперметр?
Решение:
С указанной целью можно осуществить процесс электролиза раствора азотнокислого серебра в воде. Для этого необходимо собрать замкнутую электрическую цепь, как показано на рисунке. Графитовый и платиновый стержни играют роль электродов и погружены в раствор электролита, находящийся в электролитической ванне. Будучи изготовлены из инертных материалов сами они в процессе электролиза, т.е. окислительно-восстановительной реакции, которая протекает под действием и при участии электрического тока, в химические реакции не вступают.
В растворе молекулы азотнокислого серебра под влиянием электрического поля полярных молекул воды диссоциируют, т.е. распадаются, на положительные ионы (катионы) серебра $Ag^{+}$ и отрицательные ионы (анионы) кислотного остатка $NO_{3}^{-}$. Под воздействием электрического поля, создаваемого в цепи источником постоянного тока, ионы серебра будут смещаться к отрицательному электроду (катоду), а достигнув его будут нейтрализованы имеющимися на катоде избыточными электронами и, превратившись в нейтральные атомы серебра, будут оседать на катоде. Ионы кислотного остатка будут двигаться к положительному электроду (аноду) и, взаимодействуя на его поверхности с продуктами диссоциации молекул воды, будут образовывать легко диссоциирующие молекулы азотной кислоты и вызывать образование газообразного кислорода. Приведем уравнения соответствующих химических реакций:
$Ag NO_{3} \rightarrow Ag^{+} + NO_{3}^{-}$
$Ag^{+} + e^{-} \rightarrow Ag$
$2H_{2}O - 2e^{-} \rightarrow 4H^{+} + O_{2} \uparrow$
$NO_{3}^{-} + H^{+} \leftrightarrow HNO_{3}$
$4 Ag HO_{3} + 2H_{2}O \rightarrow 4Ag + 4 HNO_{3} +O_{2} \uparrow$
Обратим внимание, что движение двух ионов $Ag^{+}$ и $NO_{3}^{-}$ в электролите соответствует перемещению в внешней цепи (от анода к катоду) одного электрона, поэтому при расчете силы тока можем принимать во внимание движение только одного сорта ионов, например, серебра.
$I = \frac{en \Delta N}{ \Delta t} = \frac{en}{ \Delta t} \cdot \frac{ \Delta m}{ \mu} \cdot N_{A}$,
где $e$ — заряд электрона, $n$ — валентность иона и $\mu$ — молярная масса ионов данного сорта, $N_{A}$ — число Авогадро, $\Delta N$ и $\Delta m$ - количество и масса ионов данного сорта соответственно, достигших электрода за время $\Delta t$ протекания постоянного тока $I$ через электролит. Отсюда легко получить выражение закона Фарадея для электролиза.
$\Delta m = k \cdot I \cdot \Delta t$,
где $k = \frac{ \mu}{en N_{A}}$ - электрохимический эквивалент вещества.
Измеряя скорость $\frac{ \Delta m}{ \Delta t}$, с которой осаждается на отрицательном электроде серебро и используя закон Фарадея, можно найти силу электрического тока $I$. Скорость осаждения серебра на электродах измеряется посредством их взвешивания до и после пропускания электрического тока через ванну в течение промежутка времени $\Delta t$.
