Задача № 6
План решения задачи. Главные вопросы • Измерить скорость дрейфа ионов натрия • Установить зависимость скорости дрейфа от поданного напряжения • Сравнить скорость дрейфа теоретическую и экспериментальную
Измерение скорости дрейфа ионов • Поместим на планшет фильтровальную бумагу, смоченную бесцветным раствором хлорида натрия (поваренной соли). Подсоединим концы электродов, которые, находясь под бумагой, прижимают ее в углубление планшета, к батарее из 4 гальванических элементов, соединенных последовательно. • Это даст постоянный ток и напряжение примерно в 18 В.
Что произойдет? ? ? При воздействии электрического тока на электролит происходит реакция разложения: Na. Cl → Na+ + Cl-
После включения прибора можно заметить, что положительные (синие) ионы движутся к катоду (в т. ч. натрий), а отрицательные (желтые) – к аноду.
Сразу после включения электричества
• Из формулы I=e*n*v*S, где e – элементарный заряд, n – концентрация ионов (находится по формуле: m*NA ; μ-молярная масса, m-масса электролита, μ*V V-объем электролита. ) v - скорость движения ионов натрия, S – площадь поперечного сечения проводника (бумаги с электролитом) мы можем выразить v = I*V* μ. e*m*NA*S
• Подставляем в эту формулу числа: (e=1, 6*10 -19 Кл; I=1 А; V=5*10 -6 м 3; m=5, 5 г; μ=58, 5 г/моль; NA=6*1023 моль-1; S=0, 0007 м 2. ); • Получаем ~3 мм/час • Проверим совпадение теоретической и экспериментальной скорости дрейфа ионов:
Ионы натрия справа (синие) Через час после включения тока
• В эксперименте получаем ~4 мм/час, т. е. за 1 час ионы Na+ сдвинулись к катоду примерно на 4 мм • Получаем небольшое несовпадение теории и эксперимента. Оно может зависеть от неточности в измерении массы и объема электролита, неточности в измерении продвижения электронов линейкой.
• На 2 вопроса из 3 мы ответили. • 3 вопрос: как скорость движения ионов зависит от напряжения, поданного в цепь. • В формулу, по которой мы находили v движения ионов натрия, вместо силы тока I подставим: U ; получим: v = U*V* μ. R R*e*m*NA*S • В итоге можно сделать вывод, что скорость дрейфа ионов между электродами прямо пропорциональна напряжению в цепи, т. е. чем больше напряжение, тем выше скорость дрейфа ионов.