XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Электропроводность воды и водных растворов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Суходолец Д.В. 1

---

1МОАУ Гимназия №2

Козина Н.В. 1

---

1Гимназия №2

Работа в формате PDF

613.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1 Введение

По способности проводить электрический ток все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники. Хорошими проводниками являются металлы и электролиты – это водные растворы солей, кислот и щелочей.

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Носителями тока в электролитах являются ионы, на которые диссоциируют (расщепляются) в растворе молекулы растворённого вещества. Наряду с диссоциацией в растворе наблюдается обратный процесс – рекомбинация (соединение) ионов, в результате которой появляются нейтральные молекулы.

Что такое электролиты? Почему они проводят электрический ток? В чём заключается явление электролитической диссоциации? От чего зависит степень диссоциации? Найти ответы на эти вопросы стало для меня актуальным.

Поэтому предметом моего исследования будет электрический ток, а объектом исследования – электрический ток в воде и в водных растворах.

Гипотеза: я предполагаю, что молекулы воды образуют электрические поля, которые и расщепляют молекулы солей, кислот и щелочей на положительные и отрицательные ионы. Степень расщепления (диссоциации) может зависеть от температуры жидкости, от концентрации растворимых веществ, от рода вещества и от напряжения между электродами. Свои предположения я и буду проверять в практической части исследовательской работы.

Цель: опытным путём определить от чего зависит электропроводность воды и водных растворов.

Задачи:

1. Изучить материалы интернета по теме исследовательской работы.

2. Систематизировать изученный материал, выделить главное.

3. Провести опыты по определению зависимости электропроводности в воде и водных растворах от различных параметров.

4. Сделать вывод по результатам опытов.

Методы работы:

• Изучение, обобщение и систематизация теоретического материала.

• Проведение опытов.

• Наблюдение.

• Анализ результатов опыта.

2. Теоретическая часть

2. 0. Что такое дистиллированная вода?

Дистиллированная вода — это вода, очищенная от растворённых в ней минеральных солей, органических веществ и других примесей путём дистилляции. Дистилляция – это процесс, заключающийся в превращении жидкости в пар, который затем снова конденсируется в жидкую форму. Простейшим примером может служить дистилляция воды, когда пар из чайника осаждается в виде капель на холодной поверхности. Дистиллированная вода, будучи очень чистой, в отсутствие посторонних механических включений может быть перегрета выше точки кипения, или переохлаждена ниже точки замерзания без осуществления фазового перехода.

Дистиллированная вода не пропускает ток, не является электролитом, но служит необходимой средой, в которой протекают процессы электролитической диссоциации.

2. 0. Степень диссоциации

В водных растворах некоторые электролиты полностью распадаются на ионы. Другие электролиты распадаются на ионы частично, часть их молекул остается в растворе в недиссоциированном виде.

Число, показывающее, какая часть молекул распалась на ионы, называется степенью электролитической диссоциации (степенью ионизации). Степень электролитической диссоциации (α) равна отношению числа молекул, которые распались на ионы, к общему числу молекул в растворе:α = N′/N

Степень диссоциации выражают в процентах или в долях единицы. Если α =0, то диссоциация отсутствует и вещество не является электролитом. В случае если α =1, то электролит полностью распадается на ионы.

Степень диссоциации зависит от природы растворителя и природы растворяемого вещества, концентрации раствора, температуры и других факторов.

2. 0. Механизм диссоциации электролитов с ионной связью

При растворении в воде ионных соединений, например хлорида натрия NaCl, дипольные молекулы воды ориентируются вокруг ионов натрия и хлорид-ионов. При этом положительные полюсы молекул воды притягиваются к хлорид-ионам Сl^—, отрицательные полюсы — к положительным ионам Na⁺(рис.1).

Рисунок1

В результате этого взаимодействия между молекулами растворителя и ионами электролита притяжение между ионами в кристаллической решетке веществаослабевает.Кристаллическаярешеткаразрушается,иионыпереходят в раствор. Эти ионы в водном растворе находятся не в свободном состоянии, а связаны с молекулами воды, т. е. являются гидратированными ионами.

Процесс присоединения молекул воды к ионам получил название — гидратация.

2. 0. Электролиз. Закон Фарадея

Электролиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении

электрического тока через раствор либо расплав электролита. На аноде (+) отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (в химии это называется окислительной реакцией), а на катоде (-) положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция). Процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно- восстанановительными реакциями, называют электролизом.

Законы электролиза Фарадея являются количественными соотношениями, основанными на электрохимических исследованиях. Фарадей, стремясь установить количественные соотношения между различными проявлениями электричества, начал экспериментальные исследования по электролизу, в 1833-1834 годах открыл его законы. Эти законы явились серьезным доводом в пользу дискретности вещества и электричества.

Первый закон Фарадея: масса вещества m, выделяемая на электроде электрическим током, пропорциональная количеству электричества Q, прошедшему через электролит

m=kQ, гдеQ=It

Второй закон Фарадея: массы различных веществ, выделенных одним и тем же количеством электричества, пропорциональных их химическим эквивалентам (Мэ).

Диссоциация. От чего зависит степень диссоциации?

Диссоциация — это общий процесс, в котором молекулы (или ионные соединения) разделяются или расщепляются на более мелкие частицы, такие как атомы или ионы обычно обратимым образом.

Степень диссоциации зависит от природы электролита, природы растворителя и от концентрации электролита. С уменьшением концентрации электролита (при разбавлении раствора) степень диссоциации увеличивается. Например,концентрированнаяуксуснаякислотанепроводитэлектрический

ток. Но если её разбавить водой, она становится проводником. Чем меньше концентрация уксусной кислоты, тем сила тока больше.

2. 0. Применение электролиза.

Электролиз применяется во многих сферах. Можно выделить несколько основных направлений использования для получения практических результатов:

• Гальваническое покрытие.

• Электроочистка—рафинирование меди.

• Получение чистых металлов.

• Анодирование(процесс создания оксидной плёнки на поверхности некоторых металлов и сплавов, путём их анодной поляризации в проводящей среде).

• Очистка сточных вод путём электролиза.

• В химических источниках тока(батарейки и аккумуляторы)

2. Практическая часть

Опыт1. Наблюдение процесса электролиза

Цель: выяснить являются ли проводниками дистиллированная вода, поваренная соль и раствор соли в воде; наблюдение процесса электролиза в

растворе поваренной соли.

Для опыта я собрал электрическую цепь, изображённую на рисунке (рис.2).

Сначала в кювету я насыпал поваренную соль. Замкнул ключ. Амперметр и лампа

показали, что тока в цепи нет(рис.3).

Процесс электролиза.

Опыт2.Ток в растворе лимонной кислоты

Цель: выявить проводят ли кристаллы лимонной кислоты электрический ток; выяснить от чего зависит величина тока в растворе лимонной кислоты.

В кювету я насыпал 5 г (рис.8) лимонной кислоты. Опустил в кислоту электроды,

Соединённые через лампу, ключ и амперметр с

Расстояние, см	Сила тока, mA
	Опыт1	Опыт2	Опыт3
9	25	26	26
8	28	31	28
7	31,5	36	33
6	36	40	36,5
5	42,5	46	43,5

Я уменьшал погружённую часть одного из электродов, каждый раз поднимая его на 0,5 см, и измерял силу тока. Результаты измерений даны в таблице 3.

Таблица3.Зависимость силы тока от глубины погружения

электрода

Глубина погружения, см	Сила тока, A
	Опыт1	Опыт2
0,5	28	27
1	29	30
1,5	32	33
2	34	36
2,5	36	37,5
3	40	38,5

Вывод: чем больше глубина погружения электродов, тем больше электрический ток.

Опыт3. Ток в уксусной кислоте

Цель: проверить опытным путём проводит ли уксусная кислота (70%) электрический ток; выяснить от чего зависит сила тока в растворе уксусной кислоты.

1. В кювету я налил 200г уксусной кислоты и опустил в неё угольные электроды. При замыкании ключа, амперметр показывал, что в цепи нет электрического тока. Я стал добавлять

Дистиллированную воду по50г. Постепенно сила тока

глубина погружения электродов, я их каждый раз приподнимал всё выше и выше. Зависимость силы тока от концентрации воды в уксусной кислоте дана в таблице 4.

Таблица4. Концентрация дистиллированной воды в 70% уксусной

кислоте

Масса воды, г	Концентрация воды, %	Сила тока, mA
50	20	1
100	33	2
150	43	2,5
200	50	2,7
250	56	3,2
300	60	3,5

Таблица6.Зависимость силы тока от глубины погружения одного из электродов

Глубина погружения, см	1	2	3	4	5	6	7
Сила тока, mA	24	30	32	34	36	38	40

Вывод: чем сильнее электроды погружены в электролит, тем больше сила

тока.

Опыт4.Ток в растворе медного купороса

Цель: проверить опытным путём проводит ли электрический ток медный купорос в кристаллическом виде и растворённый в воде; получить чистую медь из раствора медного купороса.

1. На листок бумаги я насыпал кристаллы медного купороса (CuSO4)и опустил в них электроды, подключенные к источнику тока через амперметр, ключ, лампу и реостат. При замыкании ключа, ток в цепи отсутствовал.

Вывод: медный купорос в кристаллическом виде не является проводником.

2. В кювету с медным купоросом я добавил дистиллированной воды и хорошо перемешал раствор. Когда вся соль

Растворилась я замкнул цепь. В цепи появился

Таблица7.Получение чистой меди при электролизе

Масса электрода до опыта, г	8,76
Масса электрода после опыта, г	9,01
Сила тока, А	0,25

Масса электрода увеличилась потому, что на нём выделилось 0,25г меди (рис.18).

Вывод: при электролизе можно получить чистое вещество. В

Моём опыте я получил чистую медь. ^{Рисунок18}

2. Заключение

Выполняя работу, я узнал, что электролиз – это совокупность процессов, протекающих в растворе или расплаве электролита, при пропускании через него электрического тока. Я выяснил, как происходит механизм образования ионов солей, кислот и щелочей в водном растворе. Экспериментально доказал, что сила тока при электролизе зависит от концентрации вещества, степени поруженияэлектродоввэлектролит,отрасстояниямеждуэлектродами,получил чистую медь при электролизе медного купороса.

Процессы электролиза растворов широко интересуют учёных и инженеров в настоящее время. Электролиз используют в промышленности для выделения и очистки металлов, получения щелочей и других компонентов.

2. Используемые материалы

1. http://www.comodity.ru/water/whatis/16.html

2. https://himi4ka.ru/arhiv-urokov/urok-9-iony-v-vodnom-rastvore.html

3. https://foxford.ru/wiki/himiya/klassifikatsiya-i-svoystva-rastvorov-elektrolitov

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Фарадей

5. https://obrazovaka.ru/himiya/elektroliz-vody-shema-processa.html

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электролиз

7. https://agse.ru/info/elektroliz-vody-v-promyshlennykh-generatorakh-vodoroda/

8. https://wiki2wiki.ru/wiki/Electrolysis_of_water

9. https://al-himik.ru/jelektroliticheskaja-dissociacija-stepen-i-konstanta-dissociacii/

10. Иллюстрированная энциклопедия школьника. Наукаитехника.МРосмэн,1999.

-95с. Кабардино О.Ф.Физика. Справочные материалы. М: Просвещение,1985. — 367 с.

11. http://yznaika.com/notes/197-metalli-zagraznitleli

12. Горлова Л.А.«Интегрированные уроки физики:7-11классы-М:ВАКО,2009

13. https://voda70.ru/articles/9

14. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электропроводимость

15. https://vodamama.com›Вода

16. https://www.youtube.com/watch?v=wk9zTebKBYs

17. Видео проведения эксперимента.