Задачи - опыты по физике (стр. 22 )

I1 = ,

а во втором опыте

I2 = .

Тогда отношение энергии токов получим:

50.

Нельзя, конечно, ожидать, что в школьных условиях получатся численные данные, согласные с указанными в задаче, но при любых условиях результат опыта покажет, что энергия тока увеличилась значительно больше, чем это следует из вычислений, проведенных без учета напряжения разложения.

Вряд ли правильно не давать учащимся 10-го кл. никакого представления о напряжении разложения, если мы хотим всесторонне подготовить их к практической деятельности. В заводской практике без учета напряжения разложения не работает ни одна установка, связанная с электролизом.

97. Выделение кислорода и водорода на одном электроде.

Установка. Стакан с раствором соды. Из жести вырезаны три одинаковых электрода, ширина которых равна внутреннему диаметру стакана. Два из них выгибаются по форме стакана так, что могут вставляться в него вплотную к его стенкам. Эти два электрода прикрепляются к краю стакана, как показано на рис. 22. К каждому из них припаян конец изолированной проволоки, длиной около 10 см. (В выставленной установке эти два электрода, так же как и плоский – третий, лежат отдельно от стакана.) Карманная батарейка (лучше две, последовательно соединенные). Выключатель. Соединительные провода. Нож. Плоскогубцы.

Условие задачи. В стакан налит раствор соды. При электролизе этого раствора на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. Отличить во время опыта выделение водорода от выделения кислорода, особенно при жестяных электродах, можно очень просто, так как пузырьки газа на поверхности катода выделяются несравненно обильнее, чем на поверхности анода.

Составьте цепь для электролиза, воспользовавшись в качестве источника карманной батарейкой и включив последовательно в цепь выключатель. Замкните выключатель и проверьте, работает ли ваша установка. Разомкните цепь выключателем.

У вас остался неиспользованным третий электрод, вырезанный из жести, но не присоединенный к проволоке.

Как следует включить этот электрод в составленную вами цепь, не присоединяя его ни к положительному, ни к отрицательному полюсу батарейки, чтобы при этом на его поверхности начали одновременно выделяться кислород и водород?

Дополнения. 1. При осуществлении опыта, указанного в задаче, вы убедитесь, что водород выделяется не только на катоде, но и на третьем электроде. Сравните приблизительно на глаз количество выделяющихся пузырьков водорода с поверхности катода без третьего электрода с количеством пузырьков того же газа, выделяющихся с поверхности катода и третьего электрода.

Какое из трех предположений кажется вам более вероятным: 1) количество пузырьков в первом и во втором случае одинаковое? 2) количество пузырьков в первом случае больше, чем во втором? 3) количество пузырьков в первом случае меньше, чем во втором?

Как объясните вы тот результат, который кажется вам наиболее вероятным?

2. Правильно ли сказать, что водород выделяется только на том электроде, который присоединен к отрицательному полюсу источника тока? (Тот же вопрос относительно кислорода и положительного полюса.)

3. Правильно ли называть катодом только такой электрод, который присоединен к отрицательному полюсу источника тока? (Аналогичный вопрос относительно анода.)

4. Какое определение понятия „анод“ и „катод“ дал Фарадей? Будет ли оно справедливо для любого случая электролиза и, в частности, для вашего опыта?

Как можно объяснить с точки зрения идей Фарадея, что в вашем опыте третий электрод выполняет одновременно функции катода и анода?

Решение и пояснения

97. (10-й кл.) Третий электрод опускается в стакан между первыми двумя и параллельно им. На его поверхности, обращенной к катоду, выделяется кислород, а на обращенной к аноду – водород (см. решение задачи 98).

Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Количество водорода и кислорода, выделяющееся до введения в раствор третьего электрода, равно количеству тех же газов, выделяющихся на трех электродах (см. решение задачи 98).

Неправильно. Очень распространенная неточность. Неправильно. Распространенная формулировка. Будет справедливым. Так как электрический ток „входит“ в третий электрод „из электролита“, то, согласно Фарадею, он является катодом. Так как электрический ток „выходит“ из третьего электрода „в электролит“, то, согласно Фарадею, он является анодом.

Сосуд с раствором соды может быть любого размера, но чем он меньше, тем меньше будет поверхность электродов и, следовательно, при той же силе тока получим большую густоту выделения пузырьков газа. Это дает большую наглядность опыту. Вместо стакана можно взять рюмку. В этом случае совершенно достаточно одной карманной батарейки. Электроды при этом имеют около 5 см в длину, а в ширину около 3 см в нижней части и около 3,5 см в верхней. Разумеется, вместо карманной батарейки можно использовать любую батарею (4–6 в).

Раствор соды вместо раствора серной кислоты применяется только из соображений большого удобства, так как в последнем случае пришлось бы применить угольные или платиновые электроды.

98. Последовательное соединение электролизеров.

Установка. Установка описана в предыдущей задаче, но плоских электродов не один, а два. Желательно вместо карманных батареек иметь аккумуляторы (4 в) и раствор соды заменить раствором NaCl. Кроме того, выставляется амперметр.

Условие задачи. В стаканчик налит раствор соли (NaCl), который служит электролитом. Составьте цепь для электролиза, воспользовавшись в качестве источника тока батареей аккумуляторов и включив последовательно в цепь амперметр и выключатель. Замкните цепь и измерьте силу тока.

Как следует включить лежащую на столе пластинку в цепь для того, чтобы сила тока в цепи уменьшилась?

Дополнения 1. Как вы объясните такой странный факт, что жестяная пластинка, имеющая удельное сопротивление в сотни раз меньшее, чем удельное сопротивление электролита, не уменьшает, а увеличивает сопротивление цепи, если ее опустить в электролит?

Опустите в электролит на некотором расстоянии от первой жестяной пластинки вторую. Как при этом изменится сила тока? Сколько электролизеров образуется, когда вы опустите в электролит одну жестяную пластинку? Как они включены? Сколько образуется электролизеров, когда вы опустите в электролит две жестяные пластинки? Как они включены?

Решение и пояснения

98. (10-й кл.) Опустить жестяную пластинку в электролит между первыми двумя и параллельно им. Благодаря этому образуются два электролизера, соединенных последовательно. Напряжение разложения (см. решение задачи 96) увеличивается при этом в два раза. Если ЭДС батареи обозначить через , а напряжение разложения через U, то в первом опыте напряжение на электродах электролизера равно  – U, а во втором  – 2U.

Дополнения. 1. Увеличивается, конечно, не сопротивление электролита. Ответ дается в решении задачи.

2. Электролиз прекратится, так как при трех последовательно включенных электролизерах 3U > .. Практически ток прекратится. (Остаточный ток имеет ничтожную величину.)

3 и 4. Два и три последовательно включенных электролизера.

99. Униполярная проводимость.

Установка. Установка описана в задаче 97, однако с тем изменением, что вместо третьего электрода из жести дается электрод из пластины алюминия. Кроме того, выставляется лампочка от карманного фонаря с припаянными к ее цоколю двумя проводами. С помощью трансформатора или потенциометра напряжение городского тока понижается до того же значения, которое имеет постоянный ток (2–3 карманные батарейки, соединенные последовательно). Клеммы или провода переменного тока, к которым учащиеся будут присоединять установку, должны быть отделены от трансформатора или потенциометра, чтобы не допустить ошибочного включения.

На клеммах или проводах должно быть указано, какой ток: переменный или постоянный, и его напряжение, например: „Переменный ток напряжением в 10 в“.

Вся установка собрана, согласно задаче 97, и включена в цепь постоянного тока последовательно с лампочкой.

Условие задачи. Замкните цепь выключателем. От этого начнет светиться электрическая лампочка, а на электродах, опущенных в раствор соды, начнут выделяться кислород и водород. Возьмите алюминиевую пластинку и опустите ее посередине банки в электролит между электродами и параллельно им. Лампочка начнет светиться слабее, а через 5–10 мин. свет ее окончательно померкнет.

Приступите ко второму опыту. Разомкните цепь выключателем и отключите провода от батареи, присоединив их к клеммам, на которых написано: „Переменный ток, напряжением в 10 в“. Затем замкните цепь выключателем. Лампочка снова, хотя и несколько слабее, начнет светиться. Сколько бы вы ни ожидали, свечение ее не изменится.

Как вы объясните результаты этих двух опытов?

Дополнения. 1. Если в первом опыте после прекращения свечения лампочки вынуть из электролита алюминиевую пластинку, лампочка снова начнет светиться. Опустите вновь алюминиевую пластинку в электролит таким образом, чтобы та ее сторона, которая в первом опыте была обращена к катоду, теперь оказалась бы повернутой к аноду. Опустив ее, вы заметите, что лампочка продолжает светиться, однако, как и в первом опыте, свет ее через 5–10 мин. окончательно меркнет. Почему для возобновления тока надо было перевернуть пластинку?

Когда электрический ток перестанет проходить в цепи после перевертывания алюминиевой пластинки, включите установку в цепь переменного тока. Теперь лампочка не светит, включенная в цепь даже и переменного тока. Почему? Не напоминают ли вам все эти опыты какого-нибудь прибора, употребляющегося для выпрямления переменного тока?

Решение и пояснения

99. (10-й кл.) Алюминиевый анод покрывается слоем непроводящей тока окиси, и в результате этого почти полностью размыкает цепь. Та же алюминиевая пластинка, находящаяся в электролите и выполняющая роль катода, не создает размыкания цепи. Таким образом, она приобретает униполярную проводимость, которую используют для устройства электролитических выпрямителей переменного тока.