Электрохимические аттракционы часть 1

Лессандро Вольта демонстрирует аккумуляторную батарею Наполеона.

На предыдущей встрече мы провели несколько цветовых экспериментов. Сегодняшний выпуск также будет посвящен интересным электрохимическим экспериментам. Для начала перенесемся на два столетия в прошлое и посмотрим на методы измерения напряжения на ячейках того времени. В современных лабораториях еще не было измерительного оборудования, но ученый всегда имел при себе определенный тип вольтметра!

Персональный вольтметр каждого

Была ли это роль исследовательского инструмента? язык экспериментатора! Невероятный? Давайте проверим это на себе. Достаточно плоской батарейки 3R6 на 4,5 В. Если коснуться латунных пластин языком, вы почувствуете пощипывание. Можно только представить (ни в коем случае нельзя использовать для наших испытаний источник более высокого напряжения!) опыт исследователей, испытывающих аккумуляторы, состоящие из множества металлических пластин? В этом убедился и сам Наполеон Бонапарт. В то время Франция соперничала с Англией во всех сферах, не только на полях сражений. Когда сэр Гемфри Дэви получил некоторые новые элементы с помощью электролиза, император французов (увлеченный наукой и техникой) финансировал парижских ученых батареей с напряжением, превышающим 200 В, чтобы они тоже могли проводить исследования. Однажды он посетил Сорбонну, чтобы посмотреть, как работает новый источник энергии. Прежде чем кто-либо успел среагировать, Наполеон приложил язык к электродам?

Практически каждая пара различных металлических пластин (металлы касаются языка, а торчащие изо рта кончики должны быть закорочены) позволит ощутить более-менее явный эффект. Кончик языка является наиболее чувствительным, но многое зависит от индивидуальной чувствительности. Металлической точилки достаточно для выполнения теста. Корпус точилки обычно изготавливают из легкого алюминиевого сплава, а лезвие – из стали. Когда ваш язык касается ножа и корпуса, цепь замыкается, и через нее протекает ток, вызывающий ее защемление.

В начале девятнадцатого века были популярны эксперименты с «живыми мостами». Несколько человек хватались руками, смоченными соленой водой, а те, что стояли на концах, хватались руками за полюса батарей, заставляя течь ток. В февральском номере «Молодой техники»? в 2011 году аналогичный эксперимент был представлен в романтической версии. Немного изменив этот опыт, мы можем сделать простой тестер джиттера. Поместите на стол пластины из двух разных металлов и подключите их к клеммам мультиметра. Сейчас мы просим кого-нибудь положить руки на тарелки и смотрим на инструмент. Они будут тем выше, чем влажнее руки испытуемого (меньше сопротивление току, протекающему по телу), а ведь в моменты нервозности мы больше потеем. Детекторы лжи (полиграфы) работают по аналогичному принципу. электропроводность кожи.

Концентрационная ячейка

Приготовим раствор сульфата меди(II) CuSO₄ с концентрацией около 10%. Также вам понадобятся два одинаковых медных электрода (проволока или лист) с тщательно очищенной поверхностью, две маленькие мензурки и конечно же метр.

Схема раскосного звена

Одну из мензурок наполняют приготовленным синим раствором, а другую заливают разбавленным раствором в соотношении 1:100 (например, 0,5 смXNUMX).³ Залейте приготовленный раствор водой до объема 50 см³). Соединяем растворы в сосудах электролитическим ключом. Вставьте медный электрод в каждый из стаканов и измерьте напряжение системы. Удивительный результат, не так ли? Вольтметр показывает разность потенциалов одинаковых электродов (правда, небольшая ? не более нескольких десятков мВ ? но всегда)! Однако есть ли что-то другое между двумя полуклетками? концентрация электролита в одном из стаканов в 100 раз выше, чем в другом. Вот где следует искать причину разности потенциалов. Отметим также, что электрод в стакане с более концентрированным раствором является положительным полюсом ячейки. Так какие же процессы на электродах? Хорошо:

 (-) С участием⁰ ? С участием²⁺ + 2e^—

 (+) С²⁺  + 2e^— ? С участием⁰

Еще более удивительным является параллельное добавление анодного и катодного процессов. В результате этой операции мы получим? Точно, мы ничего не получаем? атомы, ионы и электроны с обеих сторон упрощены. В целом, нет никакой реакции! Так в чем же причина существования ссылки? Это процесс выравнивания концентраций в стаканах: в более концентрированном электролите ионы меди осаждаются на электроде, а в менее концентрированном происходит растворение металлической меди.

Описанная система называется концентрационным звеном. Обратите внимание, что для создания ячейки не нужны электроды из двух разных металлов? чтобы полуэлементы продемонстрировали разные потенциалы, достаточно разницы в концентрации электролитов в их окружении.

Неметаллы также образуют ряд напряжения

Во время 5-го заседания мы обнаружили, что неметаллы могут образовывать полуячейки, а в 6-м эпизоде ​​цикла мы провели эксперименты по перемещению металлов, основанные на знании ряда напряжений. Галогены располагаются в аналогичном ряду (по возрастанию значений потенциала): I? Бр? Кл? F. Подобно металлам, они также вытесняют растворы солей. Наши эксперименты ограничатся первыми тремя элементами, игнорируя фтор (высокая газовая токсичность, невозможность его получения в домашних условиях, реакция свободного фтора с водой). Для опытов потребуются соли галогенов: хлорид натрия NaCl, бромид калия KBr и йодид калия KI.

Выделение брома из раствора его соли под действием хлора.

В начале ? действие свободного хлора на растворы KBr и KI. Хлор получают реакцией соляной кислоты с сильным окислителем, перманганатом калия KMnO.₄ (есть несколько других способов легко получить свободный хлор; я рекомендую искать литературу и интернет-ресурсы). Поскольку мы работаем в небольших масштабах (хлор токсичен — не производить его в больших количествах), для эксперимента достаточно пробирок. Поэтому собираем набор, состоящий из пробирки с пробкой, через которую проходит стеклянная трубка с трубкой. Насыпьте в пробирку несколько кристаллов KMnO.₄ и насыпать на несколько см³ концентрированная соляная кислота. Сразу начинается реакция выделения хлора:

 2КМно₄ + 16НСl? 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ ? + 8ч₂O

Погрузите конец пробирки во вторую пробирку, наполненную раствором бромида калия. Цвет раствора становится красноватым, когда пузырьки газа проходят через трубку. Через несколько минут вынуть конец пробирки и вылить содержимое в химический стакан с большим количеством воды, остановив таким образом реакцию. Теперь добавьте 1 см в сосуд с раствором KBr.³ органический растворитель (например, растворитель для краски). Закройте пробирку пробкой, хорошо встряхните и дайте жидкости отделиться. Верхний органический слой имеет красновато-коричневый цвет (полученный из экстрагированного свободного брома), а нижний (водный) слой бесцветен. В пробирке шла реакция (записанная в виде сокращенного уравнения):

 2Br^— + Кл₂ ? бр₂ + 2Cl^—

Во время конверсии свободный хлор окисляет анионы брома до свободного брома и сам восстанавливается до анионов хлорида.

Выделившийся бром в органическом растворителе (верхний слой).

Выделившийся йод в органическом растворителе (верхний слой).

Точно так же мы пытаемся заменить йод хлором, т.е. окислением йодид-анионов до свободного йода газообразным хлором:

  2I^— + Кл₂ ? ₂ + 2Cl^—

Наличие свободного йода можно определить, добавив в пробирку немного взвеси крахмала? содержимое сразу станет темно-синим.

Приведенный ряд напряжений галогена показывает, что бром (находящийся правее) также будет вытеснять йод из его соли (находится левее брома). Для проведения теста у нас должен быть раствор брома в воде (бромная вода). Если свободного брома у нас нет (осторожно — едкое вещество!), наполняем стакан раствором бромистого калия и опускаем в него два угольных электрода. Соединяем графитовые палочки с клеммами батареи с напряжением 4,5 В и электролизуем раствор несколько минут (диафрагма в стакане предотвратит вытеснение отделившегося брома; сравните описание опыта из Заседания 5) . После отключения источника напряжения отбирают пипеткой слегка красноватый раствор из области палочки, соединенной с положительным полюсом батареи, и вливают его в пробирку, содержащую раствор йодистого калия с добавлением небольшого количества крахмала. Цвет крахмального индикатора свидетельствует о выделении свободного йода:

 2I^— + Бр.₂ ? ₂ + 2Бр^—

Как и в случае с металлами, замещение галогеном нашло практическое применение. При обработке рассолов, содержащих бромиды и йодиды, свободным хлором эти элементы производятся в промышленных масштабах.

Головоломка

Прежде чем мы проведем следующий эксперимент? кое-что для любителей «химического ломания головы». Тщательно зачищаем прямоугольные цинковые и медные пластины, шлифуя их до блеска. Соединяем пластины более короткими сторонами внахлест, который подворачиваем молотком. Затем место стыковки пластин тщательно покрывают вазелиновым маслом. После того, как изоляционный слой затвердеет, поместите металлы в химический стакан примерно с 10% раствором CuSO.₄. Результат эксперимента удивителен? правда медь вытесняется из раствора (что мы могли видеть из знания ряда напряжений металлов), но оседает на пластине? медь (блестящая поверхность заметно темнеет), а не цинк. Почему? Ответ придет в следующем месяце (и это будет введение к следующим экспериментам), но попробуйте найти решение самостоятельно!

Разве огурец не поет?

Вопрос, заданный в конце статьи, очевидно, вызван прочтением стихотворения Константина Ильдефонса Галчинского под названием. Поэт утверждает, что:

Но давайте проверим этот? казалось бы очевидным? факт. Для теста необходимо 3 соленых огурца (или больше, в зависимости от требуемого напряжения) и соответствующее количество медных и алюминиевых пластин. Сооружаем клетки из металлических элементов и огурцов и соединяем их последовательно. Концевые электроды удлиняются проводами, а концы проводов соединяются с соответствующими выводами интегральной схемы от музыкальной шкатулки. Лишь бы мы не перепутали полярность, наше «огуречное трио»? будет петь! Хотя репертуар скромен (по крайней мере, пока мы не заменим интегральную схему), мы бесспорно опровергли утверждение поэта.

«Певцы» пришли?

Если мы представим описанный опыт более широкой аудитории, мы также покажем, что ученые умы — это люди с прекрасным чувством юмора. Неслучайно здесь будет привести слова известного математика Давида Гильберта, который на вопрос о судьбе одного из своих учеников ответил: «А, вот этот». Он стал поэтом. У него было слишком мало воображения для математики. Однако я думаю, что химики, изобретая привлекательные формы опытов, даже математики со своим воображением!