Задачи - опыты по физике (стр. 23 )

Дополнения. 1. Так как алюминиевая пластинка выполняет одновременно функции анода и катода (см. решение задачи 97), то, перевернув ее, мы используем ее анодную поверхность в качестве катода, а катодную – в качестве анода. Ток проходит до тех пор, пока новая анодная поверхность пластинки не покроется окислами.

2. Потому что алюминиевая пластинка покрыта окислами с обеих сторон и ток не может практически проходить через электролит ни в одном, ни в противоположном направлении.

3. Электролитический выпрямитель переменного тока.

Переменный ток должен иметь то же напряжение, что и постоянный, для того чтобы у учащихся не возникало мысли о том, что причиной различных результатов опыта с постоянным и переменным током является различное их напряжение. Указание: „Переменный ток напряжением в 10 в“ дается лишь как примерное.

100. Максимальный ток аккумулятора.

Условие задачи. На одном из свинцовых аккумуляторов школы имеется надпись, сделанная на заводе: „Максимальный ток разряжения – 4 ампера“.

Когда мы измерили внутреннее сопротивление аккумулятора, то оно оказалось равным 0,12 ома. Учитывая, что свинцовый аккумулятор имеет ЭДС, равную 2 в, получаем, согласно закону Ома (при замыкании полюсов аккумулятора проводом, имеющим очень малое сопротивление), максимальный ток, равный 15–17 а.

Почему же завод указывает на максимальный ток разряжения всего 4 а?

Решение и пояснения

100. (10-й кл.) „Максимальный ток разряжения“ не определяет наибольшей силы тока, которую может дать аккумулятор при коротком замыкании. Он определяет то предельное значение тока, которое допустимо для нормальной работы аккумулятора, т. е. для такой работы, при которой не возникает разрушения его пластин и, главное, нежелательных электрохимических изменений в пластинах. Это особенно относится к свинцовым аккумуляторам. При длительных перегрузках в свинцовых аккумуляторах возникает сульфатация пластин, в результате чего аккумулятор выходит из строя.

101. Угольный аккумулятор.

Установка. Два пористых угля, вынутых, например, из отработавших элементов с воздушной деполяризацией („ВД“ или „МВД“), предварительно сильно проваренных в чистой воде и промытых (см. в решении). Банка с раствором NaCl. Банка имеет деревянную или толстую картонную крышку с двумя отверстиями. В эти отверстия вкладываются угли. Батарея аккумуляторов или элементов на 6 в. Миллиамперметр. Выключатель. Соединительные провода.

Условие задачи. На уроке физики вам показывали модель свинцового аккумулятора: две свинцовые пластинки, опущенные в раствор серной кислоты. Такая система не давала электрического тока. Но стоило ее включить в цепь постоянного электрического тока всего на 5–10 мин., и после этого аккумулятор превращался в источник тока.

Перед вами выставлена модель иного аккумулятора: две угольные пластины, опущенные в раствор соли (NaСl). Эта система также не дает электрического тока. Проверьте это, составив цепь из последовательно соединенных: угольного аккумулятора, миллиамперметра и выключателя.

Отключите теперь угольный аккумулятор и присоедините его к батарее, состоящей из четырех гальванических элементов. Через четверть часа отключите угольный аккумулятор от батареи и вновь включите его в цепь, собранную вами, последовательно с миллиамперметром и выключателем. Замкните цепь выключателем. Миллиамперметр покажет наличие в цепи электрического тока.

Вспомните, какие вещества выделяются при электролизе раствора хлористого натрия и скажите свои соображения о тех причинах, вследствие которых система, состоящая из двух угольных пластин, опущенных в раствор соли, превратилась в гальванический элемент.

Дополнения. 1. Чем насыщается при зарядке угольного аккумулятора тот уголь, который присоединен к положительному полюсу батареи?

2. Чем насыщается при зарядке тот уголь, который присоединен к отрицательному полюсу?

Зарядите угольный аккумулятор, держа его под током в течение часа. Затем выньте из него уголь, соединенный с отрицательным полюсом батареи. Разомкните цепь и вставьте вместо вынутого угля пластинку цинка. Измерьте ЭДС этого элемента с помощью вольтметра. Сравните ее с ЭДС одного из обычных гальванических элементов. Что представляет собой полученный прибор? Включите в построенный вами элемент лампочку от карманного фонаря. Проследите в течение 5–10 мин. за ее накалом. Он практически не изменяется. Что же выполняет роль деполяризатора в этом элементе? Какой основной недостаток построенного вами элемента?

Решение и пояснения

101. (10-й кл.) Угольный анод насыщается хлором, который является прекрасным деполяризатором. Угольный катод окружается раствором натровой щелочи. В итоге электроды оказались физически разнородными. Химическая реакция возникает в результате взаимодействия щелочи и хлора. Она приводит к восстановлению молекул хлористого натрия.

Дополнения (1 и 2 даются вместе с задачей, остальные после решения задачи). 1. Хлором.

Раствором щелочи. Очень хороший элемент. Хлор. Недолговечность, так как количество деполяризатора при данной конструкции очень невелико.

Если задача предлагается на уроке, то в начале его угольный аккумулятор включается в цепь элементов или аккумуляторов. Его зарядка проверяется не через „четверть часа“, как указано в задаче, а в конце урока. Это значительно меньше нарушает изложение материала урока. Вместо специальных углей, указанных в задаче, можно применить любые – от этого только значительно понизится емкость угольного аккумулятора, т. е. амперчасы.

102. Гальванический элемент с одной жидкостью.

Установка. Баночка со слабым раствором серной кислоты. Кусок цинка или цинковая палочка. Отрезок изолированного провода длиной примерно в 1 м. Гальванометр (нулевой). Нож.

Условие задачи. В баночку налит раствор серной кислоты. Все остальное рассмотрите сами.

Как с помощью выставленных предметов и материалов можно построить гальванический элемент, и как можно доказать, что элемент действительно дает электрический ток?

Дополнения. 1. Как называется этот элемент?

2. Можно ли получить гальванический элемент, опустив в раствор хлористого натрия графит от карандаша и гвоздь? Проверьте это.

Решение и пояснения

102. (7-й кл.) Одна клемма гальванометра присоединяется к цинку, опущенному в раствор серной кислоты. Вторая клемма присоединяется к отрезку изолированного провода, второй конец которого очищается от изоляции и опускается в раствор.

Дополнения. I. Элемент Вольта.

2. Можно. Вообще нет такой системы, состоящей из электролита и двух опущенных в него различных проводников, в которой не возбуждалась бы ЭДС. Вопрос иной – какое будет ее численное значение и насколько она будет постоянной.

Вместо раствора серной кислоты можно взять, вообще говоря, раствор любой кислоты или соли. Однако при этом система будет совершенно не знакома учащимся и может запутать их.

103. Гальванический элемент с двумя жидкостями.

Установка. Стеклянная банка. Глиняный пористый сосуд, входящий в банку. Две угольные палочки. Соединительные провода. Бутылка с раствором хлористого натрия и бутылка с уксусом. Гальванометр. Нож.

Условие задачи. В одной бутылке раствор соли, в другой – раствор кислоты.

Как, использовав выставленные перед вами предметы, построить гальванический элемент с двумя жидкостями и как можно доказать, что построенный вами элемент действительно дает ток?

Примечание. Медную проволоку и нож нельзя использовать в качестве электродов для элемента.

Дополнения 1. Возникает ли в этом элементе химическая реакция?

Происходят ли какие-нибудь изменения с электродами и жидкостями во время работы элемента? В чём основной недостаток построенного вами элемента?

Решение и пояснения

103. (10-й кл.) В банку наливается раствор соли, в пористый сосуд – уксус (можно налить наоборот). Вставляются в оба сосуда угольные палочки, соединенные с гальванометром.

Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Да.

Электроды химически не изменяются. Жидкости изменяются (см. решение задач 101 и 102), Отсутствие деполяризатора.

Пористый сосуд можно заменить, например, цилиндрической картонной коробкой (из-под кофе, какао и т. п.) и даже маленьким картузом. Разумеется, такой пористый сосуд сравнительно быстро выходит из строя. Вместо уксуса можно применять раствор любой кислоты.

104. Концентрационный гальванический элемент.

Установка. Установка описана в задаче 103, только вместо двух бутылок – одна, наполненная чистой водой. Баночка с NaCl. Чайная ложка.

Условие задачи. В бутылке – чистая вода. В баночке – соль (NaCl).

Как с помощью выставленных перед вами предметов и материалов построить гальванический элемент с двумя жидкостями и как доказать, что построенный вами элемент действительно дает ток?

Примечание. Медную проволоку и нож нельзя использовать в качестве электродов для элемента.

Дополнения. 1. Возникает ли в этом элементе химическая реакция?

Происходят ли какие-нибудь изменения с электродами и жидкостями во время работы элемента? В чем основные недостатки и достоинства построенного вами элемента? Какой уголь превращается в положительный полюс элемента? Когда элемент перестает работать?

Решение и пояснения

104. (10-й кл.) В банку и в пористый сосуд наливается вода. Затем в банку насыпается некоторое небольшое количество соли и размешивается. После этого значительно больше соли насыпается в пористый сосуд и также размешивается, пока вся соль не растворится. Таким образом, концентрация соли в растворе, налитом в пористый сосуд, больше, чем ее концентрация в растворе, налитом в банку. (Можно использовать и обратную концентрацию растворов.) В пористый сосуд и в банку вставляются угли, присоединенные к гальванометру.

Так как концентрация ионов Тa и Сl' в пористом сосуде больше концентрации в банке, то из пористого сосуда в банку диффундирует больше ионов, чем в обратном направлении за один и тот же промежуток времени. Однако подвижность ионов Сl' приблизительно в полтора раза больше подвижности ионов Тa. Следовательно, раствор меньшей концентрации (банка) получит избыток ионов Сl', несущих отрицательные заряды, а в растворе большей концентрации (пористый сосуд) возникнет избыток ионов Тa, несущих положительные заряды. В результате этого возникнет разность потенциалов между растворами и погруженными в них углями.