XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Прибор для измерения электропроводности растворов
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Электрические явления были замечены еще в античные времена учёными древней Греции. Они проявлялись при натирании замшей янтарных предметов, и при этом возникало явление, которое определялось как электрический заряд. Янтарь по-гречески «электрон». Люди наблюдали молнии при возникновении грозы, которым приписывали божественное происхождение, но также говорили об электрическом разряде, электричестве.
Электрический разряд – процесс протекания электрического тока, связанный со значительным увеличением электропроводности среды относительно его нормального состояния.
По способности распадаться в растворах или расплавах на ионы и, соответственно, проводить электрический ток, вещества делятся на электролиты и неэлектролиты.
Электропроводность растворов – одна из основных тем изучения в школьном курсе химии и физики, таким образом, и наличие прибора для демонстрации электропроводности является необходимым условием для успешного изучения материала. Прибор, выпускаемый для школ, является не самым совершенным (Приложение 1). Во первых, он работает только от электрической сети, во вторых, на нем нельзя проверить проводимость сразу нескольких растворов, и в третьих прибор показывает лишь наличие или отсутствие электропроводности (лампочка горит или нет), провести сравнительные исследования, измерить электропроводность в каких-либо величинах на нем нельзя. Кроме того, прибор не очень удобен в сборке и перемещении.
Промышленные приборы, выпускаемые для измерения электропроводности растворов, не могут быть использованы в качестве демонстрационных (Приложение 2).
Цель нашей работы – разработать и изготовить прибор для изучения электропроводности, пригодный как для демонстрационного эксперимента, так и для ученических исследований, работающий от независимого источника тока и удобный в перемещении из одного кабинета в другой.
Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:
Изучить информацию об существующих приборах для измерения электропроводности;
Разработать схему прибора;
Изготовить прибор;
Приготовить растворы электролитов;
Практическая значимость – данный прибор широко используется на уроках физики и химии в МАОУ СОШ №2 как для демонстрационного эксперимента, так и для ученических исследований.
Актуальность работы состоит в том, что измерение электропроводности растворов является одним из наиболее чувствительных методов анализа, следовательно, прибор может быть использован для различных исследований в области физики и химии.
Гипотеза: В школьной химической лаборатории, возможно изготовить прибор для измерения электропроводности растворов.
1.1. Из истории
Первые представления о принципах взаимосвязи электрических и химических явлений относятся к концу XVIII – началу XIX в. Итальянский физик Вольта, один из основоположников учения об электричестве, в 1793-1801 г. предложил разместить металлы в электрохимический ряд напряжений. К этому его побудило наблюдение итальянского врача Гальвани, который обнаружил появление кратковременного электрического тока в мышцах лягушки в тот момент, когда лапка лягушки, подвешенная на медной проволоке, касалась железной сетки. С помощью изобретённого Вольта удобного источника электроэнергии шведскому химику Берцилиусу удалось электрически разложить водные растворы солей, а английскому химико-физику Дэви – расплавы солей. Изучение таких электрохимических процессов привело к предположению о том, что в реакциях, протекающих в растворах и расплавах, принимают участие электрически заряженные частицы.
Английский физик Фарадей, ассистент и ученик Дэви, в 1833 г. открыл зависимость между количеством вещества, выделяющимся при электрохимической реакции, и затраченным на этот процесс количеством электричества. В 1834 г. Фарадей ввел в науку такие понятия, как анод, катод, подвижность заряженных частиц, электролиз, электролиты, электроды. Однако лишь в конце XIX века благодаря работам шведского физико-химика Аррениуса удалось выявить закономерность в поведении заряженных частиц в растворах и расплавах солей. При исследовании растворов солей было установлено, что вещества в растворе ведут себя так, как если бы они образовали большое число частиц, чем это соответствует их концентрации. Такое явление Аррениус объяснил образованием в растворе солей в виде более мелких, чем молекулы, положительно и отрицательно заряженных частиц – ионов (теория электролитической диссоциации).
1.2.Электролиты
Электролиты – это вещества, которые подвергаются электролитической диссоциации, и вследствие чего их растворы или расплавы проводят электрический ток (W. Schröter, Chemie, 1989, S. 171).
Также существует ещё одно определение.
Электролиты – вещества, водные растворы (или расплавы) которых содержат подвижные ионы и в следствии этого проводят электрический ток (Зоммер К., Аккумулятор знаний по химии, 1985 г., стр 89.).
Конечно же, первое определение не полное, так как после его прочтения сразу возникает вопрос, а какие вещества подвергаются электролитической диссоциации. Второе лучше. Но мне все же кажется, вместе они дополняют друг друга и помогают лучше понять, что же такое электролиты.
К электролитам относятся все соли, а также кислотные, основные и амфотерные гидроксиды.
Растворы электролитов являются проводниками второго рода – их проводимость обусловлена движением ионов.
Проводниками называют вещества, проводящие электрический ток благодаря наличию в них большого количества зарядов, способных свободно перемещаться (Справочные материалы, О. Ф. Кабардин , 2006 г., стр.144) .
Они бывают I (первого) и II (второго) рода. Электропроводность проводников I рода не сопровождается химическими процессами, она обусловлена электронами.
К проводникам I рода относятся: чистые металлы, т. е. металлы без примесей, сплавы, некоторые соли, оксиды и ряд органических веществ. На электродах, выполненных из проводников I рода, происходит процесс переноса катиона металла в раствор или из раствора на поверхность металла. К проводникам II рода относятся электролиты. В них прохождение тока связано с химическими процессами и обусловлено движением положительных и отрицательных ионов.
1.3 Ионная проводимость
Взаимодействие растворенного вещества с растворителем может вызвать распад вещества на ионы.
Распад растворенного вещества на ионы под действием молекул растворителя называют электролитической диссоциацией или ионизацией вещества в растворах.
Теория электролитической диссоциации была создана в 1884-1887 гг. шведским химиком С. Аррениусом и развита в трудах И.А. Каблукова, В.А. Кистяковского на основе химической (гидратной) теории растворения Д.И. Менделеева. Эта классическая теория позволила объяснить, как электропроводность растворов, так и протекание химических реакций в них.
Основные положения теории электролитической диссоциации:
при растворении солей, кислот и оснований в воде происходит ионизация этих веществ с образованием заряженных частиц - ионов: положительных (катионов) и отрицательных (анионов);
электрическая проводимость растворов солей, кислот и оснований в воде прямо пропорциональна общей концентрации ионов в растворе.
Возможность и степень распада растворенного вещества на ионы определяется природой растворенного вещества и растворителя. Электролитической ионизации в полярных растворителях подвержены ионные и молекулярные соединения с полярным типом связи. Вода относится к наиболее сильным ионизирующим растворителям (мерой этого воздействия является относительная диэлектрическая проницаемость растворителя, значение которой для воды равно e = 84,2). Электролитическая ионизация обусловлена взаимодействием полярных молекул растворителя с частицами растворенного вещества. (Упрощенно этапы электролитической диссоциации представлены в Приложении 3)
По способности вещества распадаться или не распадаться в расплаве или растворе на ионы различают, соответственно, электролиты и неэлектролиты.
Электролиты - это вещества, растворы и расплавы которых проводят электрический ток. К электролитам принадлежат большинство солей и гидроксиды.
Неэлектролиты - это сложные вещества, которые не распадаются на ионы и вследствие чего их растворы и расплавы не проводят электрический ток. К неэлектролитам относят большую часть органических соединений, например, бензол, глюкозу, крахмал (важнейшие исключения: органические кислоты и органические основания).
Электролит может диссоциировать на ионы полностью и частично. Это зависит от вида электролита, его концентрации в растворе, а также от температуры раствора.
1.4 Измерение электропроводности растворов
Электропроводность растворов обусловлена содержанием в них электролитов. Величина электропроводности находится в сложной зависимости от концентрации раствора, валентности ионов и температуры. В связи с этим, определение электропроводности дает возможность судить об общей минерализации воды и осуществлять систематический контроль за ее колебаниями (1).
Всякое увеличение электропроводности воды говорит о загрязнении ее электролитами. Очень часто в реальных условиях необходимо учитывать электропроводность воды.
Например, величина рН и электропроводность воды с незначительным содержанием углекислого газа и аммиака рассматривается в литературе в связи с определением чистоты пара (2).
Электропроводность воды зависит от загрязнения её электролитами, а это является причиной коррозии трубопроводов (3).
Также на измерении электропроводности действуют приборы – соленомеры. Соленомер - прибор для определения солености воды, основанный на том, что с изменением солености воды изменяется ее электропроводимость (4).
Экспериментальная часть
2.1. Конструкция прибора
Прибор состоит из следующих частей (Приложение 4):
А. Основание, выполненное из фанеры, в котором сделаны крепления для банок.
Б. Лицевая панель, на которой установлены 3 контрольные лампы, амперметр и тумблер для включения питания.
В. На обратной стороне панели расположена электропроводка, аккумулятор напряжением 12 вольт
Г. Электролитические ванночки с электродами, выполненными из прутковой нержавеющей стали, к которым подводится напряжение 12 вольта постоянного тока.
(Электрическая схема прибора представлена в Приложении Д.)
2.2. Работа прибора
При включении питания на электроды подается постоянный ток, если вещество в ванночке проводит электрический ток, то загорается контрольная лампа или амперметр показывает величину протекающего тока. Наличие напряжения на электродах при не горящей лампе можно проверить путем закорачивания электродов щупом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы изготовили прибор для изучения электропроводности, пригодный как для демонстрационного эксперимента, так и для ученических исследований, работающий от независимого источника тока и удобный в перемещении из одного кабинета в другой.
Данный прибор можно использовать:
На уроках физики и химии при изучении тем: электролитическая диссоциация, электролиз;
Для исследований по изучению зависимости электропроводности растворов от различных факторов ( pH среды, температуры)
Таким образом, гипотеза выдвинутая нами в начале работы подтвердилась.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
И.И.Вагнер. Изготовление приборов в химическом кружке. Пособие для учителя – М.: МИРОС, 1994
М.М.Колтун. Мир химии – М.: Просвещение, 2009
А.М. Туричин Электрические измерения неэлектрических величин. Издание 2. - М.: МИРОС, 1996
www.xumuk.ru
www.school.edu.ru
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Школьный демонстрационный прибор для изучения электропроводности
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Промышленный прибор для измерения электропроводности
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Распад молекул.
Этапы электролитической ионизации полярных (а) и ионных кристаллов (б):
1 - сольватация; 2 - ионизация; 3 - диссоциация.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Электрическая схема прибора
Условные обозначения: Б – батарея питания; В – выключатель; Л1, Л2, Л3 – контрольные лампы; А – амперметр; В1, В2, В3, В4 – гальванические ванночки