XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электропроводность растворов электролитов. Факторы, влияющие на проводимость
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
*для использования ссылок на страницы,
зажмите клавишу Ctrl на клавиатуре
Введение
Цель и актуальность
Цель нашего проекта – изучение эффективности разных электролитов при влиянии на процесс внешних факторов.
Это исследование поможет в изобретении новых батарей и типов энергоустановок. Дело в том, что эта индустрия в наше время стремительно развивается. В моду входят машины, использующие их в качестве основного источника энергии для двигателей.
Такие машины являются относительно безопасными для окружающей среды, являются очень тихими, но, к сожалению, их литий-ионные батареи не позволяют проезжать большие расстояния, а также, при их утилизации загрязняют грунт и подземные воды. Однако, исследования в этой сфере могут помочь использовать другие виды химических элементов для создания энергоносителей, более эффективных в эксплуатации.
Ещё один пример: существующие батарейки содержат вредные химические вещества, которые могут проникать в почву и воду, загрязнять окружающую среду и вредить живым организмам. Неправильная утилизация или выброс батареек в мусор может привести к серьезному экологическому вреду.
Батарейки содержат различные химические вещества, такие как ртуть, кадмий, свинец и литий. Если батарейка повреждена или сломана, эти вещества могут вытечь и представлять риск для здоровья. При попадании на кожу или внутрь организма они могут вызвать отравление.
Неправильное использование или неправильное хранение батареек может привести к перегреву или короткому замыканию, что в свою очередь может привести к возгоранию. Воспламенение литий-ионных батареек особенно опасно, так как они могут гореть с высокой интенсивностью и трудно поддаются тушению.
Всё это приходит к тому, что нынешние энергоносители неэффективны, небезопасны для окружающей среды.
Оборудование
-
Кислота pSO4 в концентрации 20%, 200мл
-
Щелочь NaOH в концентрации 20%, 200мл
-
Щелочь KaOH в концентрации 20%, 200мл
-
Лабораторный стакан для электролиза
-
Ключ
-
Амперметр
-
Мультиметр
-
Соединительные провода
Основная часть
Электролиты
Электролиты - это вещества, способные проводить электрический ток при растворении или плавлении. Они включают в себя ионы, которые являются электрически заряженными частицами. Электролиты могут быть положительно заряженными (катионами) или отрицательно заряженными (анионами).
Электролиты классифицируются на два типа:
Неорганические электролиты: В эту категорию входят ионы в неорганических соединениях, таких как кислоты, щелочи и соли. Например, хлорид натрия (NaCl), серная кислота (pSO4) и гидроксид натрия (NaOH).
Органические электролиты: Эти электролиты содержат органические соединения с ионизирующими группами. Они могут быть использованы в различных биологических системах. Некоторые примеры органических электролитов включают кислоты аминокислот и нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК.
Когда электролиты растворяются в воде или плавятся, ионы разделяются и могут двигаться свободно. Это позволяет электролиту проводить электрический ток. Когда электроды подключаются к электролиту, положительно заряженные ионы (катионы) двигаются к отрицательному электроду (катоду), а отрицательно заряженные ионы (анионы) двигаются к положительному электроду (аноду). Это создает электрический ток.
Изучение проводимости
Основной метод изучения проводимости электролитов – это кондуктометрия. Этот метод позволяет измерить электрическую проводимость растворов электролитов и определить соответствующие значения. Во время кондуктометрии измеряются электрический ток и напряжение между электродами, размещенными в электролите. Эти измерения затем используются для расчёта проводимости электролита.
Процесс изучения проводимости электролитов включает также измерение факторов, которые могут влиять на проводимость. Одним из таких факторов является концентрация электролита (как раз этот параметр нам придётся позже менять в процессе эксперимента). Измерения проводимости проводятся для различных концентраций, чтобы определить, как изменяется проводимость с изменением концентрации. Также важно изучить влияние температуры на проводимость. При повышении или понижении температуры, проводимость электролитов может изменяться, поэтому необходимо изучить этот эффект, однако исследованием влияния температуры на процесс было решено пренебречь.
Проводимость электролитов может быть не только в растворе, но и в твёрдом состоянии. Твёрдые электролиты обычно представляют собой кристаллические или стеклянные структуры с ионными каналами, через которые происходит движение ионов. Для изучения проводимости твёрдых электролитов применяются такие методы, как измерение электрического сопротивления или измерение тока, протекающего через электроды, помещенные в твёрдый электролит.
В нашем эксперименте использовались лишь растворы электролитов, ввиду простоты создания вне лабораторных условий.
Прямая кондуктометрия
Принцип работы прямой кондуктометрии основан на законе Ома, который связывает электрический ток, напряжение и сопротивление: I = U/R. В растворах электролитов, ионы, обладающие зарядом, взаимодействуют с электрическим полем и создают электрический ток. Проводимость раствора зависит от концентрации ионов и их подвижности в растворе.
Для измерения проводимости раствора используют кондуктометры, которые состоят из двух электродов и схемы для измерения тока и напряжения. Один из электродов (рабочий) контактирует с раствором, а другой электрод (компенсационный) находится вне раствора. Подводится постоянное напряжение к рабочему электроду, а измеряется ток, проходящий через раствор. Измеренное значение тока и напряжения используется для определения проводимости раствора по формуле R = U/I, где R - сопротивление раствора (обратная проводимость).
Основные параметры, которые измеряются прямой кондуктометрией, включают общую проводимость (σ), удельную проводимость (κ = σ/c), где с - концентрация электролита, и эквивалентную проводимость (λ = κ/V), где V - объемная концентрация электролита. Эти параметры позволяют оценить проводимость раствора и множество свойств электролитов, таких как миграционная подвижность ионов.
В нашем случае самым важным было измерить, какое количество тока может выдать один раствор электролитов. Поэтому формулами из метода прямой кондуктометрии было решено пренебречь, однако за основу был взят именно этот метод. Далее, поговорим немного о растворах, которые будем использовать в исследовании.
Гидроксид калия
Гидроксид калия (KOH) - это сильное электролитическое вещество, представляющее собой щелочную соль калия и гидроксильной кислоты. Он широко используется в различных отраслях промышленности и научных исследованиях.
Гидроксид калия обычно находится в виде белых гранул или пластинчатых кристаллов. Это вещество имеет очень высокую растворимость в воде, образуя щелочной раствор, содержащий ионы калия (K+) и гидроксила (OH-). Разложение гидроксида калия происходит только при очень высоких температурах (более 400 градусов Цельсия).
Основные свойства гидроксида калия обусловлены его щелочной природой. Он обладает высокой щелочной силой и способен нейтрализовать кислоты. Гидроксид калия является одним из основных компонентов щелочных элементов и используется в процессе нейтрализации и регулирования PH в различных химических процессах.
Гидроксид калия также используется в различных промышленных процессах. Он широко применяется в производстве мыла, стекла, удобрений и других химических реакций. Он также используется в качестве электролита в аккумуляторах, а также в процессах электролитического окисления и редукции.
Помимо промышленного применения, гидроксид калия может использоваться и в научных исследованиях. Он часто используется в качестве реагента для определения содержания азота и других элементов в органических и неорганических веществах. Он также может использоваться для очистки и обработки различных материалов.
Гидроксид натрия
Гидроксид натрия (NaOH) - это раствор электролитов, который образуется при растворении твердого вещества натрия в воде. Он обладает высокой растворимостью и является одним из наиболее распространенных щелочных растворов.
Гидроксид натрия представляет собой белый кристаллический порошок или прозрачные хлопья. Он обладает очень щелочным характером и широко используется в промышленности и в бытовых целях.
При добавлении гидроксида натрия к воде происходит экзотермическая реакция, выделяющая большое количество тепла.
Получающийся раствор содержит ионы натрия (Na+) и гидроксида (OH-). Ионы гидроксида натрия делают раствор щелочным и способны реагировать с кислотами для образования солей и воды.
Гидроксид натрия имеет множество применений. В промышленности он используется в производстве бумаги, стекла, моющих средств, химических препаратов и других продуктов. Он также применяется в качестве реагента в лабораториях для проведения различных химических экспериментов.
В бытовом использовании гидроксид натрия известен как пищевая или кальцинированная сода. Он используется для очистки и дезинфекции поверхностей, удаления пятен и запахов. Также гидроксид натрия применяется в пищевой промышленности для регулирования pH в некоторых продуктах, таких как шоколад и арахисовое масло.
Серная кислота
Серная кислота (pSO4) является одним из самых известных и широко используемых растворов электролитов. Она представляет собой сильную двухосновную кислоту, состоящую из двух молекул водорода (H) и одной молекулы серы (S), связанных с тремя молекулами кислорода (O).
Серная кислота имеет высокую степень диссоциации в водном растворе - она полностью или почти полностью расщепляется на ионы водорода (Н+) и сульфатные ионы (SO4²⁻). Это делает серную кислоту очень кислой, с pH значением ниже 1.
pSO4 является очень сильным оксидирующим и катализирующим агентом, что делает его полезным во многих промышленных процессах. Некоторые из них включают производство удобрений, очистку металлов, производство пластиков и красителей, а также добычу нефти.
Раствор pSO4 также широко используется в лабораторных условиях. Его можно получить, добавив концентрированную серную кислоту к воде с осторожностью и большой осторожностью. При смешивании с водой химическая реакция сопровождается высвобождением большого количества тепла, поэтому важно следовать правилам безопасности и добавлять кислоту к воде, а не наоборот.
Химические свойства серной кислоты делают ее опасной для здоровья и окружающей среды. При попадании на кожу или слизистые она может вызвать ожоги, так что необходимо соблюдать меры предосторожности при работе с ней.
Практическая часть
Подготовка к эксперименту
Создав безопасную среду для эксперимента, можно приступать к работе.
В первую очередь, стерилизуем тару, в которой будет находиться раствор во время прохождения реакции. Для каждой реакции будут использоваться разные тары, дабы исключить возможность смешивания растворов друг с другом.
Теперь подготовим крышку для тары с зажимами. В зажимы вставляем металлические пластины. В соответствующим разъёмам для проводов вставляем сами провода, важно не перепутать полюса, иначе значения у миллиамперметра и вольтметра будут отрицательными.
Подготовим амперметр, миллиамперметр и вольтметр. Вставляем в соответствующие разъёмы провода, всё также не путая полярность, после чего проводим настройку устройств. Для цифрового миллиамперметра устанавливаем ограничение в 20 мА. Цифровой миллиамперметр понадобиться в том случае, если сила тока будет слишком низкой (а такой случай произойдёт).
Теперь, мы готовы добавлять растворы в тару и проводить исследование!
Эксперимент
Первый эксперимент проведём с гидроксидом калия. Стоит отметить, что процесс будет практически идентичен для всех растворов.
Аккуратно перелив весь раствор в тару, устанавливаем на неё крышку с зажимами, и уже установленными металлическими пластинами. В момент соприкосновения пластин и раствора начинается химическая реакция. Почти сразу можно фиксировать результат. Вольтметр показал напряжение в районе 0. 5 вольт, при этом есть постоянная погрешность 0.1 вольта. Миллиамперметр начал с отметки в 12.72 миллиампера, и значение постоянно падало. (см. приложение №1)
Интересное наблюдение: во время вступления одной из двух металлических пластин в реакцию с раствором, вокруг неё стали образовываться пузыри. (см. приложение №2)
Подготавливаем уже новую тару, и проводим эксперимент с гидроксидом натрия.
Аккуратно перелив весь раствор в тару, устанавливаем на неё крышку с зажимами, на этот раз с другими металлическими пластинами. В момент соприкосновения пластин и раствора начинается химическая реакция. Всё по аналогии с гидроксидом калия, результат также почти сразу виден. Гидроксид натрия оказался гораздо хуже гидроксида калия. Миллиамперметр показал всего лишь 1.05 миллиампер. Вольтметр показал значение 0.15 Вт. (см. приложение №3)
Третий эксперимент проводим с серной кислотой. Промываем третью тару и приступаем к эксперименту.
Аккуратно переливаем весь раствор в тару, устанавливаем на неё крышку с зажимами, вновь поменяв пластины. В момент соприкосновения пластин и раствора начинается химическая реакция. Сила тока была очень маленькой, меньше 1 миллиампера, тут-то нам и пригодилось повысить концентрацию раствора. После чего, значения повысились приблизительно до 3 миллиампер. Важно отметить, что на эксперименте с серной кислотой не использовался цифровой миллиамперметр. Вольтметр показал значение около 0.32 вольт. (см. приложение №4)
Анализ итоговых результатов
Самым активным раствором оказался гидроксид калия, затем гидроксид натрия и потом уже серная кислота. Стоит указать, что все 3 эксперимента были проведены не в том порядке, в котором указаны на странице с экспериментом. Также, проводимость электролита сильно зависит от концентрации раствора, что было доказано на примере серной кислоты. Химическая реакция может сопровождаться различными эффектами, такими как выделение кислорода в случае с гидроксидом калия – у самого активного раствора. (см. приложение с таблицей)
Заключение
В итоге, даже в ограниченных условиях можно выполнить собственные измерения проводимости растворов электролитов, однако, это опасно, если не соблюдать правила техники безопасности, так как эти растворы очень активны и могут оставить, например, ожоги на коже. Конечно, мы не выявили зависимость проводимости составов от температуры, или от материала металлических пластин, что может повлиять на результат эксперимента. Тем не менее, подобные эксперименты могут помочь в создании новых энергоносителей, что существенно облегчит жизнь людей, а иногда, возможно, даже сделает нынешние аккумуляторы более экологически чистыми.
Не всегда более высокая сила тока обозначает то, что один раствор лучше другого. На это также влияет конечная стоимость, простота использования, создания и утилизации раствора, безопасность и вред или его отсутствие для экологии.
Подобные эксперименты бывают очень увлекательными и позволяют расширить кругозор, открыть для себя что-то новое. Именно экспериментируя с разными свойствами и условиями для разных объектов, люди и изобрели все блага современного общества!
Приложение
|
Название электролита |
Концентрация, % |
Сила тока, мА |
Напряжение, Вт |
|
Гидроксид калия |
20 |
12.72 |
0.5 |
|
Гидроксид натрия |
20 |
1.05 |
0.15 |
|
Серная кислота |
20 |
1< |
0.29 |
|
Серная кислота |
25 |
3.1 |
0.32 |
Приложение №1
Приложение №2
Приложение №3
Приложение №4
Результат проверки работы на антиплагиат
Список литературы
https://studfile.net/preview/16566842/page:43/ - Метод прямой кондуктометрии
https://studfile.net/preview/2609518/ - Растворы электролитов