Процесс разложения воды электрическим током

Для демонстрационных и лаборатор­ных опытов по разложению воды с же­лезными электродами в качестве элек­тролита широко используют насыщенный раствор соды Na2СО3; он удобнее, чем растворы едких щелочей, так как мень­ше разъедает кожу рук. Но у раствора большее сопротивление, и в больших приборах, как прибор Гофмана (см. ниже), при достаточно быстро идущем электролизе раствор нагревается, что приводит к ошибке в определении объ­ема. Поэтому раствор соды следует при­менять лишь для упрощенных приборов (см. ниже).

В процессе электролиза щелочных электролитов (едкого натра, соды) при выделении газов образуется обильная пена,  мешающая  отсчету  (сравнению) объемов. Избежать образования пены можно прибавлением этило­вого спирта (20 мл на 80 мл рабочего раствора).

Приборы наполняют соответствующими растворами через верх­нюю воронку при открытых кранах градуированных трубок. Когда уровень жидкости в трубках дойдет вверху до суженной части, краны закрывают и доливают в воронку столько раствора, чтобы уровень его был выше уровня в трубках. (Слишком много наливать раствора в воронку не следует, так как туда же будет вытесняться газами жидкость во время электролиза.) После этого, осторожно открывая краны, заполняют раствором оставшийся в каждой трубке объем, но так, чтобы жидкость не попала в оттянутые тру­бочки выше кранов. Если немного жидкости случайно попало выше крана, ее надо удалить из трубочки тонким жгутиком фильтро­вальной бумаги. В приборах, изображенных на рисунках 102, а и 103, б, это можно сделать, сливая часть жидкости через нижний кран или опуская воронку ниже уровня жидкости в трубке (при открытом верхнем кране). Не удаленный из трубочки раствор может помешать испытанию собранных газов. Готовый к демонстра­ции прибор подключают к источнику постоянного тока в соответствии с обозначе­ниями полюсов у выходных клемм выпрямителя, чтобы заранее знать, где какой газ будет выделяться. Скорость выделения газов при необходимости регулируют реостатом, следя за тем, чтобы раствор в нижней части прибора не перегре­вался (при больших сопротивлениях в узких трубках, как у самодельного прибора на рисунке 103, б, рас­твор может нагреться даже до кипения). Когда в трубке с отрицательным электродом соберется водо­рода около половины ее объема (объем кислорода в другой трубке будет соответственно вдвое меньше), выключают ток, производят соответствующий отсчет пли приблизительно сравнивают объемы газов и ис­пытывают их. Для испытания водорода медленно открывают кран градуированной трубки и подносят к отверстию горящую лучинку. Газ вытесняется вверх и сгорает.

Для испытания кислорода лучше пользоваться насадкой, изображенной на рисунке 104. При откры­вании крана газ заполняет надетую на пробку ши­рокую трубочку (ее можно отрезать от пробирки), где его легко обнаружить тлеющей лучинкой. Зная катод и анод у прибора и соблюдая порядок присоединения, насадку надевают на соответствующую трубку заранее.

По окончании демонстрации опыта раствор из прибора нужно вылить, весь прибор хорошо промыть водой, краны насухо выте­реть и смазать. Последнее особенно важно при применении щелоч­ных растворов во избежание «заедания» шлифов, которое может привести к порче прибора.

На рисунках 105 и 106 изображены упрощенные приборы для электролитического разложения воды, сделанные из обрезанной стек­лянной банки, воронки для порошков, стакана. В зависимости от разме­ров эти приборы приме­няют для демонстрацион­ных или лабораторных опытов. Внутреннее сопро­тивление приборов относи­тельно невелико, поэтому для лабораторных опытов с ними можно использо­вать маломощные выпря­мители ВС-12, ВС4-12 или батарейки для карманного фонаря, однако не менее 12 в (три плоские батарейки, соеди­ненные последовательно). Для де­монстрационных опытов нужны более мощные ис­точники постоянного то­ка— выпрямители, с бата­рейками процесс идет мед­ленно.

В качестве электродов в этих приборах исполь­зуют толстую железную проволоку, гвозди, железные или никеле­вые пластинки, стержни графитовых карандашей, рас­колотые вдоль. Сосуд электролизера можно поместить в кольцо или зажим штатива или в специальные приспособления с контактами, к которым присоединяют наружные концы электродов

Для закрывания нижнего отверстия (горла) банки или воронки лучше использовать резиновые пробки, через которые и проходят электроды. Если приходится пользоваться корковыми пробками, то на них наливают внутрь сосуда расплавленную менделеевскую замазку слоем до 1 см и дают застыть. Заливание парафином неже­лательно, так как во время опыта он нередко расплавляется, всплывает и попадает в пробирки.

Приемниками для газов служат пробирки, кото­рые непосредственно надевают на электроды, градуи­рованные или неградуированные стеклянные трубки, подвешенные на проволоке. Деталь подвеса показана на рисунке 106, б

В качестве электролита почти во всех таких при­борах применяют насыщенный раствор карбоната натрия Na2CO3, реже — 10-процентный раствор NaOH. Графитовые электроды позволяют использовать также растворы серной кислоты (1 : 10 по объему) и 10-про­центный раствор сульфата натрия.

Для того чтобы при погружении в сосуд трубок, наполненных раствором, не смачивать электролитом руки, можно укрепить на изогнутой толстой прово­локе каучуковую пробку, которой и закры­вать при погружении и при вынимании после опыта трубки (пробирки). В основном такая пробка нужна только для закрывания отверстия пробирки (трубки) по окончании электролиза, чтобы оставшаяся в пробирке жидкость не вытекала и в пробирку не вошел воздух. При погружении же наполненную раствором пробирку можно закрывать небольшим кусочком бумаги, в таком виде переворачивать и опускать в раствор, где бумажка отпадает и может быть извлечена лучинкой. Впрочем, если руки сейчас же вымыть водой, то непродолжительное соприкосновение с раствором соды и щелочи и даже серной кислоты указанной концентрации не представляет никакой опасности.

Раствор карбоната натрия для опыта должен быть по возмож­ности свежий. При электролизе раствора на аноде образуется оксид углерода CO2, который, реагируя с карбонатом натрия, переводит его в кислую соль. Если гидрокарбоната натрия в раст­воре накопится много, то оксид углерода СО2перестанет полностью поглощаться и будет выделяться на аноде вместе с кислородом. Следовательно, пользоваться долго одним и тем же раствором нельзя. Электролиз в указанных приборах ведут, пока пробирка над катодом наполнится водородом наполовину, кислорода в дру­гой пробирке (трубке) будет соответственно вдвое меньше. Этих объемов вполне достаточно для испытания. Для сравнения объемов газов на пробирки надевают резиновые колечки и по выключении тока устанавливают их на уровне оставшихся в пробирках (труб­ках) жидкостей. После испытания водорода и кислорода (при испытании  следить,   чтобы не сдвинулись кольца) растворы из пробирок выливают, в пробирку, где был кислород, наливают (до кольца) воды и выливают ее в пробирку, где был водород. Чтобы уровень воды в этой пробирке также оказался у кольца, необхо­димо прилить еще такой же объем, следовательно, объемы газов относятся как 1 : 2.

Более точные измерения в условиях этих опытов невозможно произвести, так как это потребовало бы внесения многочисленных поправок для приведения объемов газов к нормальным условиям с учетом упругости водяных паров, растворимости газов и пр.

Спонсоры сайта:

Copyright © 2011. Designed by "Nemec"