Feladat: 2002. évi Nemzetközi Fizika Diákolimpia 4. feladata Korcsoport: 18- Nehézségi fok: nehéz
Füzet: 2002/október, 431 - 432. oldal  PDF file
Témakör(ök): Faraday-törvények, Elektron (mint elemi részecske), Nemzetközi Fizika Diákolimpia
Hivatkozás(ok):Feladatok megoldásai: 2002/november: 2002. évi Nemzetközi Fizika Diákolimpia 4. feladata

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Az e/kB arány meghatározása elektrolízissel

 

Elméleti áttekintés
A víz elektrolízisét a következő reakcióval írhatjuk le:
H2  O  H+  +  O2-,
   
H+  + 2 e-   H2;  O2-   O2  + 2 e-.  

A reakció akkor játszódik le, ha elektromos áram folyik a vízbe merülő két elektródán át. Feltehetjük, hogy a reakciókor keletkező mindkét gáz ideális.
A reakcióban keletkező egyik gázt egy kémcsőben fogjuk fel, amin önkényes (nem mm beosztású) skála van. A teljes áthaladó töltés és a kémcsőben lévő gáz térfogatának ismeretében az e/kB arány meghatározható, ahol e az elektron töltése és kB a Boltzmann-állandó.
 

Ez a mérési feladat két részből áll4:
A rész: A kémcsövön lévő önkényes skála kalibrálása dinamikai módszer segítségével. Erre a kalibrálásra szükséged lesz ennek a mérés B részében is, sőt a II. mérési feladatban is.
B rész: Az e/kB arány meghatározása a víz elektrolíziséből.
 

A következő ismereteket felhasználhatod:

‐ A helyi nehézségi gyorsulás: g=(9,78±0,01)ms-2.

‐ A kémcső belső és külső átmérőjének aránya: α=0,82±0,01.
A hőmérséklet (T) és a nyomás (P) éppen aktuális értékeit a rendezők fogják megadni.
 
Az I. mérés (A és B rész) végrehajtásához rendelkezésedre álló eszközök és berendezések:

‐ Egy kémcső, önkényes (nem milliméter beosztású) skálával.

‐ Három különböző átmérőjű, szigetelt rézvezeték:
1. nagy átmérőjű barna,
2. kis átmérőjű barna,
3. kék.

‐ Változtatható feszültségforrás (0‐60 V, max. 1 A).

‐ Egy műanyag tartály és egy üveg víz.

‐ Egy nehezék, melyen műanyag rögzítő található (ezzel lehet az elektródát a víz alatt a helyén tartani a műanyag szigetelés megsértése nélkül).

‐ Egy digitális stopper.

‐ Egy multiméter (ügyelj a helyes használatára).

‐ Egy fából készült kémcsőtartó, amellyel a kémcsövet függőlegesen lehet tartani.

‐ Egy pipetta.

‐ Egy függőleges tartóállvány.

‐ Fehér javító festék, amellyel jeleket tehetsz megfelelő helyekre.

‐ Vágóeszköz (kés).

‐ Olló.

‐ Ragasztószalag.

‐ Egy acélgolyó.

‐ Egy vékony, rozsdamentes acéllap, melyet elektródaként használhatsz.

‐ (Nem)mm-papír.
Vedd figyelembe, hogy az összes skála a ,,mm-papírokon'' és a kísérleti eszközökön (például a kémcsövön) ugyanolyan skála-osztású, de nem milliméteres.
 

Mérési feladatok
 

A rész: A kémcsövön lévő önkényes skála kalibrálása

‐ Keress egy olyan, jól ismert (dinamikai) módszert, amivel a kémcsőn lévő önkényes skála átszámítható (kalibrálható) mm skálára.

‐ Add meg azt az egyenletet, ami kapcsolatot teremt a kísérletedben mérhető mennyiségek és a kémcsőre nyomtatott önkényes skála között, és vázold a mérési összeállítást.

‐ Gyűjtsd össze és használd a mérési adataidat az ismeretlen hossz-skála kalibrálására!
 
B rész: Az e/kB arány meghatározása

‐ Állítsd össze az elektrolízises mérést úgy, hogy abban megfelelő módon legyen a kémcső elhelyezve, hogy a reakcióban keletkező gázok egyikét felfoghasd!

‐ Vezesd le azt az egyenletet, amely kapcsolatot teremt a következő mérendő mennyiségek között: t idő, I áram, Δh vízszintkülönbség.

‐ Gyűjtsd össze és elemezd mérési adataidat! Az egyszerűség kedvéért felteheted, hogy a kémcsőben a gáz nyomása a mérés során állandó marad.

‐ Határozd meg az e/kB arányt!
4Az A és B részeket, továbbá a II. mérést akármilyen sorrendben, sőt egymással párhuzamosan, szimultán módon is elvégezheted. Vedd figyelembe, hogy az elektrolízis lassú folyamat.