Из формулы (66.2), объединяющей оба закона Фарадея, следует, что если заряд численно равен постоянной Фарадея , то масса равна , т. е. при прохождении через электролит заряда, равного 96 484 Кл, выделяется [кг] любого вещества, т. е. моля этого вещества. Иначе говоря, для выделения одного моля вещества через электролит должен протечь заряд , численно равный [Кл]. Таким образом, при выделении моля одновалентного вещества (1,008 г водорода, 22,99 г натрия, 107,87 г серебра и т. д.) через электролит проходит заряд, численно равный Кл; при выделении моля двухвалентного вещества (16,00 г кислорода, 65,38 г цинка, 63,55 г меди и т. д.) через электролит проходит заряд, численно равный Кл, и т. д.

Но мы знаем, что в одном моле любого вещества содержится одно и то же число атомов, равное постоянной Авогадро моль-1. Таким образом, каждый, ион одновалентного вещества, выделяющийся на электроде, несет на себе заряд

Кл. (69.1)

При выделении каждого атома двухвалентного вещества через электролит проходит заряд Кл, вдвое больший, и т. д. Вообще при выделении каждого атома -валентного вещества через электролит переносится заряд [Кл].

Мы видим, что заряды, переносимые при электролизе с каждым ионом, представляют собой целые кратные некоторого минимального количества электричества, равного Кл. Любой одновалентный ион (ион калия, серебра и т. д.) переносит один такой заряд. Любой двухвалентный ион (ион цинка, ртути и т. д.) переносит два таких заряда. Никогда не встречаются при электролизе случаи, когда бы с ионом переносился заряд, содержащий дробную часть от Кл. Немецкий физик и физиолог Герман Гельмгольц (1821-1894), обративший внимание на это следствие из закона Фарадея, сделал отсюда заключение, что указанное количество электричества Кл представляет собой наименьшее количество электричества, существующее в природе; этот минимальный заряд получил название элементарного заряда. Одновалентные анионы (ионы хлора, йода и т. д.) несут на себе один отрицательный элементарный заряд, одновалентные катионы (ионы водорода, натрия, калия, серебра и т. д.) – один положительный элементарный заряд, двухвалентные анионы – два отрицательных элементарных заряда, двухвалентные катионы – два положительных элементарных заряда и т. д.

Таким образом, в явлениях электролиза исследователи впервые столкнулись с проявлениями дискретной (прерывистой) природы электричества (§ 5) и сумели определить элементарный электрический заряд. Позже были обнаружены и другие явления, в которых проявляется дискретная природа электричества, и были найдены другие способы измерения элементарного отрицательного заряда – заряда электрона. Все эти измерения дали для заряда электрона то же значение, какое мы получили только что из закона Фарадея. Это является лучшим подтверждением правильности того ионного механизма прохождения тока через электролиты, который мы обрисовали в предыдущем параграфе.

Ионы принято обозначать знаками «+» или «-» около соответствующих формул (обычно справа вверху). Число знаков «+» или «-» равно валентности иона (например, ионы меди бывают или , ионы хлора – только , и т. д.).

§ 79. Заряд и масса иона.

Из сказанного в предыдущих параграфах следует прежде всего, что заряды, несомые положительными и отрицательными ионами, бу­дучи обратными по знаку, должны быть тождественными по абсо­лютной величине, так как они образуются, вообще говоря, путем расщепления нейтральных молекул вещества. Первые количествен­ные определения величин, позволяющих судить о массе ионов раз­личных категорий, были произведены Дж. Дж. Томсоном и В. Вииом, а первые приближенные определения заряда иона были выпол­нены Дж. Дж. Томсоном.

Основные серии исследований были посвящены определению отношения заряда иона е к его массеm . В одном из методов, примененных Дж. Дж. Томсоном в 1897 году, он оперировал с так называемымикатодными лучами, открытыми Круксом и состоя­щими из потока каких-то весьма своеобразных частиц, несущих отрицательные заряды. Как известно, катодные лучи были наблю­дены Круксом в очень ясно выраженной форме внутри стеклян­ного сосуда с весьма разреженным пространством, в котором были расположены два электрода: плоский или слегка вогнутый катод и какой-либо анод. При достаточно высокой разности потенциалов между этими электродами с поверхности отрицательного электрода, приблизительно перпендикулярно ей, исходят вышеупомянутые ка­тодные лучи, обладающие целым рядом особых свойств. Пучок катодных лучей отклоняется действием поперечного магнитного поля, что можно обнаружить, пользуясь либо флюоресценцией остат­ков газа в трубке, либо флюоресценцией специального экрана, на который падают лучи. Такое же отклонение можно получить, про­пуская катодные лучи и между пластинками конденсатора, распо-

ложенными внутри трубки и заряжаемыми от некоторого постоян­ного источника. В обоих случаях направление отклонения точно соответствует отрицательной электризации частиц, образующих катодные лучи. Подобные наблюдения можно произвести, например, при помощи трубки с очень разреженным газом, представленной на рисунке 132.

Здесь С есть катод, А - анод со щелью порядка 2 - 3 миллиметров,В - металлический диск, соединенный с зе­млей и имеющий щель около одного миллиметра шириною,D 1 иD 2 - пластины конденсатора,F - флюоресцирующий экран, нанесенный на внутренней поверхности стеклянной трубки. Катодные лучи, ис­ходящие с поверхности катода С, проходят через щели вА иВ в направленииОР и дают на экране светящийся следР. Представим себе теперь, что трубка расположена в однородном магнитном поле, перпендикулярном плоскости рисунка 132, т. е. перпендикулярно ОP. Катодный пучок при этом из прямолинейного превратится в искривленный(ОР") по дуге круга, радиус которого будет зависеть от магнитной индукцииВ, от зарядае частиц, образующих катодные лучи, от их массыт и от их скоростиv . Действительно, радиус кривизны траектории иона будет определяться условием равенства по абсолютной величине центробежной силы, с одной стороны, и силы, отклоняющей частицу к центру кривизны, с дру­гой стороны. Центробежная сила будетmv 2 /r. Отклоняющая частицу

сила будет равна произведению из магнитной индукции В и вели­чиныev , представляющей собою не что иное, как меру силы тока, обусловливаемого движением зарядае со скоростьюv (угол между направлением вектораВ равен в данном случае 90°). Следовательно, можем написать:

mv 2 / r =Bev .

С другой стороны, сообщая пластинам D 1 и D 2 некоторую раз­ность потенциалов, мы можем вызвать отклонение катодного пучка и путем воздействия поперечным электрическим полем на движущиеся заряженные элементы пучка. Обозначая электрическую силу между пластинамиD 1 иD 2 черезЕ, мы можем механическую силу этого воздействия на каждую отдельную частицу выразить черезЕе. При этом знак разности потенциалов между пластинамиD 1 иd 2

может быть взят такой, чтобы отклоняющие действия на катодный пучок со стороны электрического и магнитного полей были проти­воположны друг другу. Установив некоторое определенное значе-ни5 электрической силы Е, будем затем изменять соответствующим образом магнитную индукциюВ и таким путем можем добиться уничтожения отклонения катодного пучка, о чем можно судить по возвращении флюоресцирующего следа пучка в точкуР. Когда это будет достигнуто, мы будем иметь право написать:

Ее =Ве v .

Принимая в внимание значение В, таким образом подобранное, и комбинируя полученные два соотношения, мы получаем:

Величина же самого заряда е была, как увидим дальше, непо­средственно определена из других наблюдений.

Отношение е кm и величина скоростиv были получены Дж. Дж. Томсоном и другим методом, в котором, между прочим, определялась по способу Перрена величина количества отрицательного электричества, несомого некоторой порцией катодного потока (рис. 133).

Именно на пути катодного пучка, исходящего из отри­цательного электрода С, располагается пустотелый металлический цилиндр В с отверстием в днище, обращенном к электроду С. Этот цилиндрВ весьма тщательно изолирован и для предотвращения всякого рода влияний электрического характера помещен внутри охранной металлической камерыА, играющей в то же время роль анода. ЦилиндрВ присоединяется к специально градуированному электрометру, при помощи которого можно измерять электрический заряд, приобретаемый цилиндром. Как показал Перрен, катодный пучок, попадая внутрь цилиндраВ, заряжает его отрицательным электричеством, причем величина этого заряда при данных неиз­менных условиях строго пропорциональна времени, в течение кото­рого катодный пучок действует. Производя опыт в течение неко-

торого определенного промежутка времени, Дж. Дж. Томсон изме­рил заряд Q , приобретенный за это время цилиндромВ. Обозна­чая черезN число носителей отрицательного электричества, вошед­ших внутрь цилиндраВ, получаем:

Ne = Q .

Затем Дж. Дж. Томсон измерил количество кинетической энер­гии, которою обладают эти N частиц, заставляя тот же катодный пучок в такой же промежуток времени падать на специально изго­товленную термопару, располагаемую для этого на пути катодного пучка, вместо цилиндраВ, и проградуированную, как калориметр. Обозначая черезW количество энергии, приобретаемой калори­метрической термопарой вследствие бомбардировки ееN частицами, обладающими массойm каждая и несущимися со скоростьюv , и до­пуская, что кинетическая энергия каждой частицы целиком превра­щается в тепло при ударе о поверхность термопары, получаем вто­рое соотношение:

1 / 2 Nmv 2 =M .

Производя, наконец, описанный выше опыт с отклонением катод­ного пучка магнитным полем, присоединяем третье соотношение:

mv 2 / r = Bev .

Из этих трех соотношений получается:

Таким образом, Дж. Дж. Томсон мог различными способами определить отношение заряда к массе и скорость частиц, из кото­рых состоит катодный пучок. Величина скорости v в широких пре­делах зависит от разности потенциалов, приложенной к электродам трубки. В условиях работы Дж. Дж. Томсона при напряжениях, доходивших до 10000 вольт и несколько выше,v доходило до 3,6 10 9 сантиметра в секунду, т. е. до величины, несколько превы­шавшей одну десятую скорости света. Что касается величины отношенияe / m , то совершенно независимо от всяких привходящих об­стоятельств (напряжения, природы газа в трубке, вещества отри­цательного электрода и т. д.), это отношение оказывается неизменно одного и того же порядка. Дж. Дж. Томсон получал в описанных опытах:

e / m =около 10 7 в абс. эл.-магн. единицах.

В настоящее время мы знаем, на основании результатов позд­нейших, более совершенных экспериментов, что более точное зна­чение этого отношения должно быть:

e / m =1,76 10 7 в абс. эл.-магн. единицах.

Указанное небольшое расхождение, объясняемое целым рядом источников ошибок в первоначальных опытах, не имеет, однако, никакого существенного значения при обосновании тех чрезвы­чайно важных и принципиальных выводов, к которым Дж. Дж. Томсон пришел, анализируя полученные им результаты. В этом отно­шении необходимо знать лишь порядок величины - , и его-то Дж. Дж. Томсон определил в достаточной степени точно, а затем сопо­ставил полученное значение с тем, что получается для отношения заряда к массе в случае обычных материальных ионов. Он подсчи­тал, что в случае самого легкого иона, с которым мы имеем дело при прохождении тока через электролиты, именно в случае водо­родного иона, интересующее нас отношение будет около 10 4 (более точная его величина равна 0,96 10 4). Как мы увидим дальше, Дж. Дж. Томсон показал, что величина заряда элементов катодного пучка и электролитических ионов должна быть признана одной и той же. Из этого он вывел заключение, что масса частицы катод­ного потока во много раз (более, чем в тысячу раз) легче самого легкого атома, атома водорода. В настоящее время мы знаем, что масса атома водорода приблизительно в 1840 раз больше массыэлектрона, каковое название, предложенное Джонстоном Стонеем, окончательно утвердилось в науке для обозначения тех носителей отрицательного электричества, с которыми мы встречаемся, вообще говоря, всегда в случае прохождения тока через газы и пустоту. Величайшая заслуга Дж. Дж. Томсона состоит именно в том, что он первый установил основные физические характеристики легчай­ших материальных частиц, являющихся носителями наименьшего электрического заряда, с которым мы встречаемся на опыте. Эти легчайшие частицы, масса которых в 1840 раз меньше массы атома водорода, мы теперь с полным основанием рассматриваем какатомы электричества. Тщательное теоретическое и эксперимен­тальное изучение вопроса о массе электрона показывает, что она не постоянна, но оказывается функцией скорости. Обозначая массу электрона, двигающегося медленно сравнительно со скоростью света, черезm 0 , можно на основании новейших опытов принять:

где v есть скорость движения электрона, ас - скорость света, можно теоретически обосновать следующее выражение для массы электрона, двигающегося со скоростьюv :

В связи с этим возникло представление об электромагнитной природе массы электрона.

Представляет большой интерес сопоставление значений - для электрона и для положительных газовых ионов, и с этою целью можно воспользоваться результатами опытов В. Вина, который определял это отношение в случае положительных ионов, образую­щих так называемыезакатодные лучи, впервые наблюденные Гольдштейном. Если электрический разряд происходит между неко­торыми анодом и катодом в сильно разреженном газе и при этом катод состоит из металлической пластинки с большим числом небольших отверстий, то позади катода, т. е. со стороны, противо­положной аноду, наблюдаются очень слабо светящиеся пучки, про­никающие сквозь отверстия и вызывающие заметную флюоресцен­цию стекла в месте их падения на стенки сосуда. Вин показал, во-первых, что закатодные лучи Гольдштейна состоят из положи­тельно заряженных ионов, которые приобрели очень большие скорости в электрическом поле по другую сторону катода и благо­даря этому оказались способными, так сказать, проскочить по инерции сквозь отверстия. Воздействуя на пучок закатодных лучей электрическим и магнитным полем и пользуясь тем же методом, который был выше описан применительно к катодным лучам, Вин

мог определить величину - для закатодных лучей и получил: e / m =около 300 в абс. эл.-магн. единицах,

v - около 3 10 7 сантиметров в секунду.

Итак, скорость оказалась раз в 100 меньше скоростей, наблю­даемых для электронов в условиях аналогичных электрических полей. Так как, далее, нет сомнения в том, что заряды, несомые как положительными, так и отрицательными ионами в газах должны быть тождественными, то, очевидно, масса положительных ионов в опытах Вина оказалась приблизительно в 30000 раз больше массы электрона. Для справки можем указать, что для железа при электролизе растворов солей железа получается

e / m =около 400.

Другими словами, положительные газовые ионы обладают мас­сами того же порядке, что и тяжелые электролитические ионы, т. е. они представляют собою те или иные, иногда очень тяжелые комбинации обычных атомов и молекул вещества.

Переходя теперь к вопросу о зарядах, несомых газовыми ионами, остановимся сначала на работах Дж. Дж. Томсона, который был первым, определившим заряд электрона. Он воспользовался свой­ством водяных паров сгущаться вокруг ионов и образовывать капельки тумана. Свойство это было открыто Вильсоном, показав­шим, что в случае адиабатического расширения насыщенного водя­ного пара в присутствии газовых конов возникает туман и при меньшей степени расширения, чем это требуется, если воздух совершенно не содержит ионов. Вильсон установил, что в воздухе, очищенном от пыли и свободном от ионизации, насыщенный водя­ной пар дает туман только тогда, когда внезапное увеличение объема газа будет не менее, чем в 1,38 раза. При расширении в 1,25 раза образуется туман лишь при наличии отрицательных ионов, конденсирующих на себе капельки воды. Это наблюдается и при дальнейшем увеличении степени расширения вплоть до пре­дела, равного 1,31, по достижении которого начинают конденсиро­вать воду и положительные ионы. При степени расширения от 1,31 до 1,38 водяные пары будут сгущаться на ионах обоих знаков. Начиная с расширения в 1,38 раза, образование тумана происходит, как было выше указано, независимо от наличия ионов. Дж. Дж. Томсон ионизировал при помощи рентгеновых лучей воздух, насыщеный водяным паром, и производил затем адиабатическое (практи­чески, очень быстрое) расширение его в 1,25 раза. Облачко тумана, образовавшееся из капелек, сконденсировавшихся вокруг отрица­тельных ионов, падает под действием силы тяжести, и, пользуясь соотношениями, данными Стоксом, можно было по скорости паде­ния определить размеры и массу отдельных капелек. Полное коли­чество сконденсированной воды Дж. Дж. Томсон вычислил, осно­вываясь на данных термодинамики, и разделил его на массу отдельной капельки. Таким путем было определено число всех капелек, составлявших туман. Для получения величины полного заряда, несомого совокупностью отрицательных ионов, участвовав­ших в образовании тумана, было применено электрическое поле, под действием которого ионы одного знака оседали на электрод, соединенный со специально проградуированным электрометром. Разделяя этот полный заряд на число капелек, Дж. Дж. Томсон получил заряд каждого иона. И в данном случае большим дости­жением его было достаточно точное определение порядка величины заряда газового иона. Именно, он получил:

е= около 4 10 -10 абс. эл.-стат. единиц.

Дж. Дж. Томсон сопоставил это количество электричества с зарядом электролитического иона, например, водородного. Если N есть число молекул в куб. сантиметре водорода при давлении в 760мм ртутного столба и при температуре 0°С, ае есть заряд водородного иона, с которым мы имеем дело при электролизе растворов, то на основании непосредственных опытов можно положить:

Ne "= 1,22 10 10 абс. эл.-стат. единиц.

1,29 10 -10 <е"< 6,1 10 -10 ,

откуда следует, что заряд, несомый газовым ионом, равен заряду, которым обладает водородный ион при электролизе растворов. Этот результат классических опытов Дж. Дж. Томсона в полной мере оправдывается всею совокупностью современных данных, с несомненностью свидетельствующих о том, что в самых разно­образных случаях мы неизменно встречаемся с одним и тем же элементарным электрическим зарядом. Более поздние и более совершенные методы наблюдений позволили весьма точно (с точ­ностью до четырех знаков) определить величину заряда е. В этом отношении особенное значение имеют опыты Милликена, наблю­давшего поведение в электрическом поле отдельных мельчайших капелек масла и ртути, заряженных очень небольшим числом ионов. Определяя заряды капелек, Милликен установил, что они неизменно оказываются кратными некоторого определенного количества элек­тричества(е), и тем показал на непосредственном опыте атомность электричества. В настоящее время значениее, полученное Милликеном, считается весьма достоверным и, таким образом, на основа­нии его исследований принимают:

е =4,774 10 -10 абс. эл.-стат. единиц =1,592 10 -20 абс. эл.-магн. единиц.

... ». Как же плохо хорошо учиться в школе. Я еще тогда усвоил, что вода состоит из двух атомов водорода и одного - кислорода, и диссоциирует на два иона H+ и OH-. Видимо, я упустил какое-то высшее знание, согласно которому в воде теперь не атомарный, а молекулярный водород . Газ. Хотя да, все правильно, ведь первая ж часть формулы воды - «H2».И только потом «О». Два...

https://www.сайт/journal/118186

Взаимодействия между ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящие к... обезличенности информации (более обобщённая информация), осуществляется с участием ионов , пептидов, аминокислот на уровне клеточных мембран (определённые клетки... (Gaston Naessens) (Канада) сообщали о наблюдении таких микрочастиц, обладающих отрицательным электрическим зарядом, в крови и других живых жидкостях. В целом можно...

https://www.сайт/journal/114229

Формы воды, которая буквально пропитывает минерал. Исследователи нашли в лунном апатите ионы гидроокиси - отрицательно заряженные молекулы, аналогичные тем, из которых состоит вода, но лишенные одного атома водорода . По мнению ученых, вода на Луне находится повсюду - ... будет гораздо проще, чем предполагалось, создать на лунной поверхности космическую станцию. Вода, разделенная на водород и кислород, послужит источником ракетного топлива для полетов на другие планеты, а кислород будет...

https://www.сайт/journal/129842

водород . Водород ионная Ионный

https://www..html

Разложены: таковы золото, железо, а также иные газы, как, например, водород . Но алхимики думают, что атомы, на которые наука разлагает простые тела, ... лучи астраля имеют символом солнце и красный цвет и называются по-еврейски - аод; отрицательные же лучи имеют символом луну и голубой Цвет И называются по-еврейски аоб. Аод... называются вместе аор, что и Значит астраль или астральный Свет. В основании аода лежит "иона " сила расширения пространства и жизни (ее символ - голубь), а в основании аоба Лежит...

https://www.сайт/magic/11716

Фотонные свойства. Первоосновой является, как Вы помните со школьной скамьи, водород . Водород меняет свои доядерные свойства. Это выражается в том, что меняется ионная среда. То есть, сегодня существуют эмпирические факты, отслеженные факты, которые... может произойти оплодотворение. Вне этого диапазона зачатие будет невозможным. Биопроцесс, который происходит в человеке, тоже нарушен. Ионный диапазон у человека несколько шире, чем у рыб. Но нам нельзя допускать, чтобы он сузился, иначе детородная...

https://www.сайт/journal/140254

Может быть обусловлена рядом причин. Возможно накопление в тканях ионов аммония или молочной кислоты, могут быть и нейропсихические нарушения... дым, является смертельным коктейлем включающим: мышьяк, полоний-210, метан, водород , аргон и цианистый водород (более 4000 компонентов, многие из которых являются фармакологически активными, токсичными... или запоров. Всем этим нарушениям могут предшествовать: острые отрицательные эмоции, конфликтные ситуации, психические травмы с последующим нарушением...

https://www.сайт/magic/16663

Скорость истечения относительно ракеты, считаемая постоянной. Для термоядерной реакции превращения водорода в гелий a=0,0066, так что w/c=0,115. При реакции аннигиляции вещества... w/c мало и составляет 0,12 при b=0,5. Таким образом, применение на ионной ракете в качестве источника энергии аннигиляционного реактора позволяет достичь огромных скоростей... Такой парус, напоминающий рыболовную сеть и работающий на основе отрицательного фотофореза, по оценкам физиков, может приводить в движение небольшие...

Одноэлектронная связь менее прочна (энергия разрыва 61 ккал /моль), чем обычная двухэлектронная связь в нейтральной молекуле водорода (d HH =0,74Å, энергия разрыва 104 ккал/моль) . Расчеты зависимостей полной энергии и её компонент от межъядерного расстояния для простейшей структуры с химической связью - молекулярного иона водорода H 2 + с одноэлектронной связью - показывают, что минимум полной энергии, который достигается при равновесном межъядерном расстоянии, равном 1,06Å, связан с резким понижением потенциальной энергии электрона вследствие концентрации и сжатия облака электронной плотности в межъядерной области. Можно представить образование иона H 2 + как результат реакции атома водорода и протона :

H+ H + → H 2 + + 61 ккал

1. Молекулярный ион водорода H 2 + содержит два протона, заряженных положительно, и один электрон , заряженный отрицательно. Единственный электрон компенсирует электротатическое отталкивание двух протонов и удерживает их на расстоянии d H H = 1,06 Å. Центр электронной плотности электронного облака (орбитали) равноудалён от обоих протонов на боровский радиус α 0 = 0,53 Å и является центром симметрии молекулярного иона водорода H 2 +

2. Молекулярный ион водорода H 3 + содержит три протона и два электрона. Электростатическое отталкивание трёх протонов компенсируется двумя электронами. Методом кулоновского взрыва показано, что протоны молекулярного иона водорода H 3 +

Находятся в вершинах равностороннего треугольника с межъядерным расстоянием 1,25 ± 0,2Å .

Ссылки

• Сайт Уфимского кванто-химического общества. Лекция № 13 "Электронная корреляция"

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Молекулярный ион водорода" в других словарях:

Атом водорода физическая система, состоящая из атомного ядра, несущего элементарный положительный электрический заряд, и электрона, несущего элементарный отрицательный электрический заряд. В состав атомного ядра может входить протон или… … Википедия

Молекула водорода простейшая молекула, состоящая из двух атомов водорода. В её состав входят два ядра атомов водорода и два электрона. Вследствие взаимодействия между электронами и ядрами образуется ковалентная химическая связь. Кроме… … Википедия

1 Водород → Гелий … Википедия

Рис.1. Электронная теория химической связи была предложена и развита американским физикохимиком Льюисом Г.Н в 1912 1916 гг … Википедия

Предложена Лайнусом Полингом на симпозиуме по теоретической органической химии, посвящённом памяти А.Кекуле (симпозиум состоялся в Лондоне в сентябре 1958 г.). В докладе Полинга дана теория двойной связи как комбинации двух одинаковых изогнутых… … Википедия - Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей. Квантовая химия это направл … Википедия

Кулоновская электронная корреляция это взаимная согласованность движения образующих химическую связь электронов атомов, учитывающая электростатическое отталкивание электронов, имеющих отрицательный элементарный электрический заряд. Основной … Википедия

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Наименование факультета - ЕНМФ

Наименование выпускающей кафедры – Общая физика

Наименование учебной дисциплины - Физика

Лабораторная работа № 2-07

Наименование работы – “Определение заряда иона водорода”

Исполнитель:

Студент, группы 13А61 Королёва Я.Ю. (_______)______________(_______)

Подпись дата

Подпись

(_______)

дата

Руководитель, профессор Крючков Ю.Ю. (_______)_____________(_______)

Должность, ученая степень, звание подпись дата

Томск –2007

Лабораторная работа 2-07.

Тема: Определение заряда иона водорода.

Цель работы: изучить прохождение тока в электролитах, определить заряд иона водорода, оценить погрешность данного метода определения заряда иона водорода и ознакомиться с явлением наводораживания металлов.

Приборы и принадлежности: вольтаметр Гофмана, амперметр, реостат,(если нет стабилизированного источника питания), источник тока, секундомер.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Для определения заряда иона водорода можно использовать прохождение тока в электролитах (явление электролиза). В водном растворе серной кислоты молекулы H 2 SO 4 диссоциируют на ионы: H 2 SO 4 → 2 H + + SO 4 -- . При наличии в таком электролите электрического поля ионы водорода, достигая катода, принимают от него недостающий отрицательный заряд и превращаются в нейтральные атомы водорода, т. е. у катода происходит реакция 2 H + +2 e → 2 H . Попарные соединения атомов водорода образуют молекулы водорода H 2 , выделяющиеся у катода (2 H → H 2 ). Отрицательные ионы SO 4 2- , выделяющиеся у анода, отдают ему свой избыточный заряд и вступают в реакцию с водой, причем реакция протекает в виде SO 4 2- + H 2 O → H 2 SO 4 + O + 2 e , т.е. вновь образуется серная кислота и у анода выделяется газообразный кислород. Как видно, во время протекания тока через электролит одна молекула серной кислоты поставляет на электроды одну молекулу водорода и один атом кислорода. Следовательно, для того чтобы на аноде выделилась молекула кислорода, необходима диссоциация двух молекул серной кислоты, но при этом на катоде выделится уже две молекулы водорода. Таким образом, при одних и тех же термодинамических условиях объём выделившегося на катоде водорода будет в два раза больше объема кислорода, выделившегося на аноде. Если выделяющиеся газы собрать по отдельности, то можно по занимаемому ими объему подсчитать число молекул газа образовавшегося на том или другом электроде. По известному числу молекул газа можно подсчитать число положительных ионных ионов(n + ), перенесших заряд “+ Q ” на катод, или число отрицательных ионов (n - ), перенесших заряд “- Q ” на анод. По этим данным можно вычислить заряд положительного (q + ) или отрицательного (q - ) иона, используя выражения (1) и (2):

(1)

(2)

Заряды + Q по – Q величине равны и могут быть определены по известному току, создаваемому потоком отрицательных и положительных ионов при наличии в электролите электрического поля.

Описание установки и получение расчетной формулы

Целью данной работы является определение заряда, который переносится ионом водорода. Прибором, способным разделить газы, выделяющиеся при электролизе, служит вольтаметр Гофмана. Вольтаметр Гофмана представляет собой три сообщающихся сосуда, из которых два заканчиваются кранами, а средний – воронкой, через которую сосуды наполняются электролитом. На крайних сосудах нанесены деления, позволяющие измерять объем, а на среднем- деления для измерения высоты. Вольтаметр наполняется водным раствором серной кислоты и с помощью электродов, впаянных в крайние сосуды, включается в цепь, содержащую реостат, с помощью которого можно менять ток, а также миллиамперметр, ключ, источник постоянного тока. При пропускании тока через электролит в одном из крайних сосудов будет накапливаться водород, выделяющийся на катоде, а в другом – кислород. Выделяющиеся газы вытеснят из крайних сосудов электролит и создадут над поверхностью электролита давление, которое будет уравновешиваться атмосферным давлением в сумме с давлением избыточного столба жидкости в среднем сосуде по отношению к уровням жидкостей в крайних сосудах.

Запишем условие равновесия для среднего и крайнего сосуда, в котором выделился водород. На поверхность жидкости в этом сосуде оказывают давление выделившийся водород и пары воды. Суммарное давление уравновешивается атмосферным давлением и давлением вытесненного столбика электролита высотой в среднем сосуде

(3)

Это условие равновесия будет сохраняться в течение всего процесса электролиза.

Если ток I проходит по цепи в течение секунд, то через электролит в направлении к катоду ионы водорода перенесут количество электричества + Q , равное

(4)

Такое же количество электричества, но обратного знака, пройдет к аноду. Однако в дальнейшем оно нас интересовать не будет. Масса водорода, выделившегося на катоде, по первому закону Фарадея пропорциональна перенесенному заряду. По массе М водорода и массе одной его молекулы можно определить число молекул, выделившихся на катоде, т.е. Каждая молекула водорода образуется в результате нейтрализации двух ионов водорода, следовательно, полное число ионов, перенесших свой заряд на катод, будет равно

(5)

Массу выделившегося водорода можно приближенно определить из уравнения состояния идеального газа, т.е. из уравнения

(6)

Из (6) следует, что

Из (5) и (7) следует, что число ионов водорода, пришедших к катоду, равно

Находя давление водорода из (3), используя выражение (4) для количества электричества, перенесенного на катод, из (1)определяем заряд иона водорода:

Масса одной молекулы водорода равна массе одного киломоля, деленной на число частиц в киломоле (число Авогадро) следовательно, и расчетная формула (9) принимает вид

(10)

Таким образом, для определения заряда иона водорода с помощью вольтаметра Гофмана необходимо знать давление, объем и температуру водорода, выделившегося при электролизе, а также величину тока и время прохождения его через электролит.

Вывод: с помощью прибора, способного разделять газы, выделяющиеся при электролизе - вольтаметра Гофмана, провели опыт на прохождение тока в электролитах, а также определили заряд иона водорода.