Экспериментальное наблюдение движения ионов электролита под действием постоянного электрического тока

Движение ионов в электролитах

При прохождении электрического тока через растворы электролитов вместе с зарядом всегда переносится вещество (это явление называется электролизом). Носителями заряда в этих проводниках являются ионы, образующиеся в результате электролитической диссоциации солей, кислот или щелочей.

В отсутствии электрического поля эти ионы совершают только беспорядочное тепловое движение. Но в электрическом поле ионы начинают дрейфовать в направлении действующей на них силы: катионы – к катоду, анионы – к аноду.

В настоящей работе мы опишем созданные нами простые установки, предназначенные для наблюдения результата прохождения электрического тока через водные растворы электролитов. Подобные установки могут быть изготовлены из подручных материалов в школьной лаборатории и использованы для демонстрационных опытов и лабораторных работ.

Для наблюдения процесса электролиза можно использовать классическую схему электролиза раствора солей или кислот.

Нальем воду в стеклянный или пластиковый сосуд. Опустим в воду электроды – ими могут быть графитовые стержни (грифель простого мягкого карандаша) или медные кусочки проволоки. Соединим электроды с источником постоянного тока – это может быть выпрямитель либо несколько соединенных последовательно обычных батареек. В цепь включим лампочку от карманного фонарика. Воду лучше использовать дистиллированную.

Мы провели с такой системой несколько интересных и очень наглядных опытов. Если растворить в воде твердое вещество, не являющееся электролитом, то ток через раствор протекать не будет. Если же пропускать электрический ток через раствор электролита, например, поваренной соли или соляной кислоты, то можно наблюдать:

1. лампочка во внешней цепи будет гореть

2. при электролизе соляной кислоты вблизи электродов выделяется газ, а на дне сосуда оседает белый нерастворимый осадок.

В некоторых случаях можно весьма наглядно показать движение ионов в электролитах.

Ограничим возможные направления упорядоченного движения ионов одной плоскостью. Для этого используем фильтровальную бумагу, пропитанную водой.

Поместим бумагу на диэлектрическую подложку,; можно использовать любую пластмассовую плоскую поверхность.

На диэлектрике установлены две металлические скобки, к которым подключены положительный и отрицательный полюса источника тока. Между скобками натянута фильтровальная бумага. В качестве источника тока мы использовали выпрямитель ~ 220V / = 12V

Для визуализации движения ионов необходимо выбрать растворенное вещество яркого цвета. Мы использовали для этой цели кристаллы KMnO4. Эти кристаллы в результате электролитической диссоциации распадаются на ионы (MnO4)- и K+. При прохождении электрического тока через полоску бумаги с растворенными кристаллами будет наблюдаться результат движения ионов по направлению к электродам в виде полос, распространяющихся со скоростью, равной скорости упорядоченного движения ионов. Располагая секундомером и измерительной линейкой, эту скорость можно измерить с хорошей точностью.

Оборудование, использованное для измерений

1. Источник тока – выпрямитель ~ 220V / = 12V

2. Экспериментальная установка. На пластике (диэлектрик) установлены две металлических скобки, к которым подключены положительный и отрицательный полюса источника тока. Между скобками натянута фильтровальная бумага.

3. Дистиллированная вода

4. Настольная лампа для нагревания раствора электролита

5. Часы.

6. Измерительная линейка.

Опыт 1.

Бумагу смачиваем дистиллированной водой. Возле отрицательного электрода располагаем два кристаллика КМnO4. При пропускании тока отмечается движение ионов МnO4— в сторону положительного электрода в виде фиолетовых полос, тянущихся от кристаллов. За 1 час длина полосок увеличилась до 23 мм, т. е. скорость движения ионов МnO4— составила 23 мм/час. Если бумагу подогреть с помощью настольной лампы, скорость движения ионов возрастает. Но на скорость движения повлияла также диффузия ионов в смоченной водой полоске, потому ставим второй опыт.

Опыт 2.

Бумагу смачиваем дистиллированной водой. Теперь два кристаллика КМnO4 располагаем возле положительного электрода. При пропускании тока отмечается движение ионов МnO4— радиально в виде фиолетовых кругов вокруг кристаллов. За 1 час радиус кругов увеличился до 10 мм, т. е. скорость диффузии ионов МnO4— составила 10 мм/час. Таким образом, истинная скорость движения ионов МnO4— под действием постоянного электрического тока составила 23 – 10 = 13 мм/час

Опыт 3.

Интересна такая модификация опыта. Бумагу смачиваем дистиллированной водой. Возле отрицательного и положительного электродов располагаем по два кристаллика КМnO4. Подогреваем смоченную бумагу с помощью настольной лампы. При пропускании тока отмечается усиление движения ионов различного знака как в сторону положительного электрода, так и в сторону отрицательного в виде фиолетовых полос, тянущихся от кристаллов.

Наблюдаемые полосы имеют разную окраску, то есть образованы движением различных (положительных и отрицательных) ионов. За 1 час длина полосок в среднем увеличилась до 25 - 30 мм с обеих сторон, т. е. скорость движения ионов обоего знака составила 25 - 30 мм/час.

Возможно, на скорость движения повлиял ток жидкости от краев бумаги к середине, где происходило интенсивное испарение воды из-за нагрева лампой.

Итоги.

1. Ионы МnO4— движутся к полюсу, имеющему противоположный им заряд, то есть к положительному.

2. Чтобы узнать истинную скорость движения ионов под действием постоянного электрического тока - нужно отнять от общей скорости скорость диффузии ионов

3. Скорость движения ионов МnO4— возрастает при повышении температуры.

4. Скорость движения ионов МnO4— возрастает в солевом растворе