XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Определение концентрации раствора NaCl методом построения калибровочной кривой
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность
Раствор поваренной соли очень часто используется в лабораториях, экспериментах, при проведении опытов. Этот раствор является хорошим электролитом, а проводимость электролита зависит, в том числе, и от его концентрации. Длярешениянекоторыххимическихифизическихзадачнеобходимознать концентрацию раствора.Сеёпомощьюмыможемсделатьвывод не только отом,скакимэлектролитом, сильнымилислабым,мыимеемдело, но и определить такие характеристики, как электропроводимость и показатель преломления раствора. Сильныеэлектролиты–вещества,практическиполностьюдиссоциирующиевводенаионы;слабыеэлектролиты‒наоборот.Можносоздатьспециальныеусловия,прикоторыхэто веществорастворится.Будутливсвязисэтимрастворыэлектролитовразнойконцентрации вестисебяодинаковоприпропусканиитокачерезних?Еслинет,токак? Поскольку этот раствор NaCl хорошо проводит свет и является оптически прозрачной средой, то концентрацию раствора можно определить, основываясь и на оптических свойствах электролита. В своей работе я рассмотрела способы определения концентрации раствора поваренной соли, используя его электрические и оптические свойства.
Цель проекта
Используя электрические и оптические свойства раствора NaCl, разработать метод определения концентрации раствора NaClс помощью построения калибровочной кривой.
Задачи
Изучитьзависимостьэлектрического сопротивления раствораотконцентрации раствора
Собрать электрическую цепь для поставленных исследований
Приготовитьсамостоятельно несколько растворов NaCl
Изучить зависимость показателя преломления раствора от его концентрации
Построить графические зависимости, позволяющие определить концентрацию раствора
Сделатьвывод о проделаннойработе
Введение
Электролиты–растворы,имеющиевсвоемсоставезаряженныечастицы,которые принимаютучастиевпереносезарядовмеждуэлектродомикатодом.Могутбытьсильнымиислабыми.Процессраспадамолекулнаионыназываетсяэлектролитическойдиссоциацией. Вещества-электролитыустроенызасчетионныхиликовалентныхполярныхсвязей.Вовремя растворенияпроисходитхимическоевоздействиевеществасмолекуламиводы,врезультате чегоонораспадаетсянаионы.Молекулыводы–активныедиполисдвумяполюсами: положительнымиотрицательным.Атомыводородарасполагаютсяподуглом104,5°,засчет этогомолекулаводыприобретаетугловуюформу.Например,вещества,имеющиеионную кристаллическуюрешетку,намноголегчедиссоциируют,ониужесостоятизактивныхионов, адиполиводывовремярастворениятолькоориентируютих.Междудиполямиводыиионами электролитавозникаютусилиявзаимногопритяжения,связикристаллическойрешетки ослабеваютиионыпокидаюткристалл.Степеньдиссоциацииα–этоотношениечисла молекул, распавшихся наионы, к общемучислурастворенных молекул:
Степеньдиссоциацииврастворахэлектролитоввсегдаувеличиваетсясуменьшением концентрацииэлектролита,т.е.помере разбавленияраствора,потомучтоприэтомионывсе болееотдаляютсядруготдругаивозможностьимвстречатьсяивновьсвязыватьсявмолекулыуменьшается.
Степеньдиссоциациизависитотприродырастворителя, температуры(Повышениетемпературырастворителяувеличиваетактивностьионовиих количество,поэтомувовремявсегоисследования поддерживаласьпостояннаятемпература– 20ºС). Зависимость электропроводности электролитов от концентрации раствора имеет более сложный характер: при малых концентрациях электропроводность электролитов возрастает с увеличением концентрации, достигает максимума, а затем уменьшается. Объяснить явление можно следующим образом. Дистиллированная вода электрический ток не проводит. Поэтому при небольших концентрациях с ее ростом электропроводность растет из-за увеличения количества носителей зарядов. Одновременно происходит уменьшение расстояния между ионами и между ионами и молекулами растворителя. Если растворитель подобно воде полярный (его молекулы представляют собой диполи), то начинает сказываться кулоновское взаимодействие между ионами и молекулами растворителя. Согласно закону Кулона сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и при малых расстояниях она резко возрастает. В результате ион растворенного вещества, начиная с некоторой концентрации, оказывается окруженным слоем молекул растворителя. В общем случае это явление получило название сольватации, а если растворитель вода – гидратации. Соответственно, в общем случае слой молекул растворителя, окружающий ион, называется сольватной оболочкой, а если растворитель вода – гидратной. Следствием сольватации (гидратации) является падение подвижности ионов, а значит и падение электропроводности. При увеличении напряженности поля (более 10 В/м) наблюдается отклонение от закона Ома. Вызвано это тем, что при увеличении скорости ионов их подвижности не остаются постоянными, а зависят от скорости движения ионов. Целью работы является исследование зависимости сопротивления электролитов от концентрации.
Теоретическая часть
В1826годуГеоргСимонОмэкспериментальнообнаружил,чтосоотношениеU/I остаётсяпостояннымвширокомдиапазонеприкладываемыхнапряжений.ЭтулинейнуюзависимостьможнозаписатьввидеI=GU,гдекоэффициентпропорциональностиG=qnµS/L
(Гдеq–переносимыйзаряд,n–концентрация,µ‒подвижностьносителейзаряда,S–площадь сеченияэлектродов,L–расстояниемеждуэлектродами)называетсяпроводимостью. Проводимость обратно пропорциональная электрическому сопротивлению вещества G~1/R. Таким образом, для электролитов выполняется закон Ома:
R=U/I
Площадьсеченияирасстояниемеждуэлектродамибудут постоянной величиной.
Практическая часть
Оборудование:ванночка,вкоторойбудутрастворы;цинковыепластины,дляпропусканияэлектрическоготокачерезраствор;источникпитания(~4,5В);амперметр и вольтметр;весы; несколькопластмассовыхцилиндров;реагент(NaCl).
Для измерения сопротивления растворов соберем следующуюцепь
Закрепимвванночкецинковыепластины,черезвыводыподключимихкисточнику питания.
В мензурки нальем растворы разной концентрации.Дляэтогосначалавзвесимна весахводу,которуюпозжеперельёмвванночку.Затемнайдеммассувещества,раствор которого готовим. Концентрациюв процентах.
Припроведенииданногоисследованиявозникаетпроблема:черезрастворнужно пропускатьпеременныйток,иначераствор,электропроводностькоторогоисследуется, быстрополяризуется.Номожнодостаточноточноизмеритьсопротивление,исисточником постоянноготока.Дляэтогокаждыйраздляизмененияконцентрацииябудуделатьновый раствор,анедобавлятьисследуемоевеществовпрежний.Такможноизбавитсяотионов, оставшихсяпослепрошлогоэксперимента.Такжесопротивлениенадоизмерятьоченьбыстро во избежание неверного результата.
Всеисследуемыевеществанеобходиморастворятьвдистиллированнойводе(вданном случае прикомнатнойтемпературе,очемупоминалосьвыше),т.к.вводе из-под кранамного примесей.
З а д а н и е 1. Исследование зависимости сопротивления электролита от концентрации раствора.
1. При комнатной температуре выполните измерения сопротивлений растворов разных концентраций.
2. Результаты измерений запишите в таблицу и постройте график R =f (n)
Вприведеннойнижетаблицезаписанырезультатыисследования.
|
№ |
n, % |
U,В |
I, А |
R, Ом |
|
5 |
3,1 |
0,4 |
7,75 |
|
|
10 |
3 |
0,6 |
5 |
|
|
20 |
2,6 |
0,8 |
3,25 |
|
|
30 |
2,5 |
0,9 |
2,78 |
|
|
40 |
2,4 |
1 |
2,4 |
|
|
50 |
2,3 |
1,1 |
2,09 |
По данным измерений, построили калибровочную кривую, позволяющую определить концентрацию раствора, зная его сопротивление.
З а д а н и е 2. Исследование зависимости показателя преломления электролита от концентрации раствора.
Вещество, прозрачное для света, называется оптической средой. Такой средой являются и раствор поваренной соли. Световой поток, падающий на границу двух сред, в общем случае частью от нее отражается, а частью входит во вторую среду, преломляясь на границе.Во многих случаях показатель преломления бинарных растворов линейно изменяется с составом раствора. Зависимость показателя преломления растворов от концентрации устанавливается эмпирически для каждого отдельного вещества, методом построения калибровочной кривой. Готовят серию растворов известных концентраций, измеряют их показатели преломления и строят калибровочный график в координатах концентрация — показатель преломления.
С огласно закону преломления света относительный показатель преломления света равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления:
Оборудование для эксперимента
Для достижения поставленных задач, эксперимент проводим с растворами разных концентраций NaCl.
Для этого мне понадобились некоторые детали комплекта лаборатории
L-микро «Геометрическая оптика»:
Лампы накаливания с рабочим напряжением 12В, мощностью 21Вт и прямой нитью накала. Лампы устанавливают в патрон держателя, находящегося внутри корпуса осветителя.
Диафрагма с одной щелью.
Соединительная колодка, которая служит для подключения осветителей к источнику электропитания.
Кювета (прямоугольная прозрачная емкость для наполнения жидкости)
Лимб (транспортир).
Техника исследования
Соединив все эти детали, мы получаем устройство, которое позволяет нам проводить эксперименты для определения зависимости показателя преломления разных жидкостей от концентрации раствора.
При работе с данным оборудованием следует проявить осторожность с осветителем из-за его нагрева, а также с кюветой, которая плохо держится на доске из-за слабых магнитов. Для точного расчета измерений изменим лимб из комплекта, отметив с помощью простого транспортира дополнительные деления на градусы.
Структура исследовательской работы:
На доске закрепим транспортир с кюветой.
В кювету налили 100 мл исследуемой жидкости.
Над кюветой поместили осветитель с диафрагмой с узкой щелью под углом 40°.
Изменяя концентрацию раствора жидкости, занесли значения полученных углов преломления в таблицу.
Вычислили значения показателя преломления.
По полученным значениям построили графики зависимости показателя преломления от концентрации раствора.
Выводы
Наосновепроведенногоисследованияможносделатьвывод:сопротивление электролитасизменениемконцентрациирастворовизменяется.Это объясняетсяприродойвеществ,ихспособностьюдиссоциировать.Такжеоказалось,что можноопределить концетрацию веществаспомощьюзначенияэлектрического сопротивления и показателя преломления раствора, построив калибровочную экспериментальную кривую. Ясчитаю,чтоданнуютемунеобходимо развивать,таккаконатесносвязанасразнымидисциплинами,ииногдаприведенныевыше исследованиеможетупроститьанализжидкости.Вближайшеевремяятакжепланируюпродолжитьизучениеизменениясопротивленияраствороввзависимостииотдругих факторов.
Список используемой литературы
1)Б.Б.Буховцев,Ю.Л.Климонтович,Г.Я.Мякишев«Физика.Учебноепособиедля9 класса средней школы, 1981»
2)А.В.Чудновский«ЗФТШ.Физика.Постоянныйэлектрическийток.Задание№5для10-хклассов (2020-2021учебныйгод), 2021»
3)С.П. Мясников, Т.Н. Осанова«Пособие по физике, 1981»
4)Г.Е.Рудзитис,Ф.Г.Фельдман«Химия.Учебноепособиедля7-11классовсредней общеобразовательнойшколы в 2-хчастях(Часть2), 1985»
5)Ю.В.Ходаков,Д.А.Эпштейн,П.А.Глориозов «Неорганическая химия.Учебникдля9 класса, 1980»
6)Исследованиезависимостисопротивленияжидкихрастворовотконцентрациипримесей(1sept.ru)
7)elektrokhimiya_rastvorov.pdf