XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование электропроводности воды и водных растворов физическими методами

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Бородина В.М. 1

---

1МБОУ СОШ №2 им. В.З. Петрашова, г. Курск

Крутикова Е.Б. 1

---

1МБОУ СОШ №2 им. В.З. Петрашова, г. Курск

Работа в формате PDF

206 KB

Введение

Загрязнение водных ресурсов представляет серьёзную экологическую проблему, влияющую на здоровье людей и состояние экосистем. Оценка качества воды, пригодной для питья — сложная задача, для которой нужны различные методы и приборы, в том числе измерение электропроводности.

Актуальность исследования: Электропроводность воды и водных растворов — важный параметр, который находит применение в самых разных областях: от экологии до медицины. По величине электрической проводимости можно судить о степени минерализации воды, что важно для оценки её качества.

Цель исследования: изучить и экспериментально определить от каких параметров зависит электропроводность воды и водных растворов.

Задачи исследования:

1. Изучить теоретическую основу явления электропроводности в жидкостях.

2. Выявить факторы, влияющие на электропроводность воды и водных растворов.

3. Провести серию экспериментов для измерения электропроводности.

4. Сформулировать выводы на основе результатов эксперимента.

Объект исследования: водопроводная вода, талая вода, водный раствор с поваренной солью.

Предмет исследования: электропроводность воды и водных растворов.

Гипотеза: Предполагается,электрические свойства воды зависят от количества растворенных в ней солей.

Методы исследования:

1. Теоретический анализ научной и учебной литературы.

2. Экспериментальное измерение электропроводности с использованием простой электрической цепи с амперметром/вольтметром.

3. Наблюдение и фиксация результатов измерений.

4. Сравнительный анализ данных и построение графиков зависимости.

Глава 1. Теоретическая основа явления электропроводности в жидкостях

1.1 Понятие электропроводности

Электропрово́дность (электри́ческая проводи́мость, проводимость) — способность тела или среды проводить электрический ток. Под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток под воздействием постоянного поля. Электропроводность среды (вещества) связана со способностью заряженных частиц (электронов, ионов), содержащихся в этой среде, достаточно свободно перемещаться в ней. Величина электропроводности и её механизм зависят от природы (строения) данного вещества, его химического состава, агрегатного состояния, а также от физических условий, прежде всего таких, как температура. Электропроводность важна в различных сферах, среди которых: электротехника и электроника, химия и гидрохимия, геофизика, медицина, экология.

1.2 Электропроводностьрастворов

Скорость движения ионов зависит от напряженности электрического поля, температуры, вязкости растворов, заряда ионов и воздействия между ними.

У растворов сильных электролитов наблюдается характер концентрационной зависимости электрической проводимости, и объясняется это действием двух взаимно противоположных эффектов. С одной стороны, с ростом разбавления уменьшается число ионов в единице объёма раствора. С другой стороны, возрастает их скорость за счет ослабления торможения ионами противоположного знака.

Для растворов слабых электролитов наблюдается характер концентрационной зависимости электрической проводимости можно объяснить тем, что рост разбавления ведёт, с одной стороны, к уменьшению концентрации молекул электролита. В то же время возрастает число ионов за счёт роста степени ионизации.

В отличие от металлов (проводники 1-го рода) электрическая проводимость растворов как слабых, так и сильных электролитов (проводники 2-го рода) при повышении температуры возрастает. Этот факт можно объяснить увеличением подвижности ионов в результате понижения вязкости раствора и ослаблением воздействия между ними.

1.3 Электрический ток в растворах электролитов

Электрический ток в жидких проводниках — в растворах электролитов представляет собой поток заряженных частиц вещества — ионов. Ионы возникают в растворе вследствие взаимодействия молекул растворяемого вещества с молекулами растворителя.

Электрический ток могут проводить растворы солей и кислот, а также обычная вода. Раствор, способный проводить электрический ток, называется электролитом.

Ионы в растворах электролитов, как и свободные электроны в металлах, движутся беспорядочно. Но когда электроды присоединяют к полюсам источника тока, в растворе возникает электрическое поле. Под воздействием поля ионы, сохраняя хаотическое движение, одновременно начинают двигаться в определенном направлении. Положительные ионы направляются к электроду, соединенному с отрицательным полюсом источника (катоду), а отрицательные ионы — к электроду, соединенному с положительным полюсом (аноду). Дойдя до соответствующих электродов, ионы отдают им свои заряды и, став атомами или молекулами, выделяются на электродах или вступают в химические реакции.

При прохождении тока через электролит на электродах выделяются чистые вещества, содержавшиеся в растворе. Это явление называется электролизом.

В результате действия электрического тока в электролите происходят химические изменения, и для дальнейшего поддержания электрического тока его необходимо заменить на новый.

При растворении электролита в жидкости взаимодействие молекул жидкости с молекулами электролита ослабляет связь между частями молекул электролита, и некоторые из них разделяются на положительные и отрицательные ионы. Разделение молекул электролита на ионы происходит за счет энергии теплового движения молекул. В электрическом поле ионы электролита приходят в движение: положительные ионы движутся к катоду, отрицательные — к аноду. Так возникает электрический ток в электролите.

При повышении температуры кинетическая энергия движения молекул возрастает, что приводит к увеличению числа пар образующихся ионов, то есть к увеличению концентрации электролита. Из-за увеличения концентрации ионов значение электрического сопротивления электролита с повышением температуры уменьшается.

1.4 Электропроводность в контроле качества воды 

Многие производства, сельское хозяйство, предприятия питьевого водоснабжения предъявляют определённые требования к качеству вод, в частности, к минерализации. Воды с большим количеством солей отрицательно влияют на растительные и животные организмы, технологию производства и качество продукции, вызывают образование накипи на стенках котлов, коррозию, засоление почв.

С химическим составом воды, используемой для питья, связывают развитие некоторых массовых неинфекционных заболеваний населения. От того, какую воду потребляют, зависит здоровье человека

Электропроводность — важный критерий, по которому можно судить о степени минерализации воды (концентрации растворённых минеральных солей).

Измерение электропроводности помогает контролировать, подходит ли раствор для роста растений, — если значение электропроводности подходящее, всасывание питательных веществ и транспортировка их ко всем клеткам растения будут обеспечены на должном уровне.

Глава 2. Эксперимент. Результаты произведённых исследований

2.1 Подготовка к проведению исследований

Для проведения экспериментов было использовано следующее оборудование: миллиамперметр, источник питания напряжением до 7.5В, электроды (медные), вольтметр, амперметр, термометр, мерный стаканчик

Для того чтобы проверить электропроводность жидких веществ, была составлена электрическая цепь, состоящая из источника тока, ключа и электролитического стакана (рис. 1).

Рис. 1 Электрическая цепь

Для вычисления электропроводности исследуемых жидкостей была использована формула G = , где G – электропроводность, I – сила тока, U – напряжение.

2 .2 Исследование зависимости электропроводности температуры воды

Цель исследования: Исследовать зависимость электропроводности воды от примесей

Эксперимент №1: Для первого эксперимента стакан объёмом 200 мл был наполнен сначала водопроводной водой температурой 30°С, затем талой водой той же температуры. Затем в стакан были опущены электроды, на которые подавалось переменное напряжение в диапазоне 0 - 7,5В. С помощью миллиамперметра была определена сила тока в растворе. Результаты полученных данных приведены в таблице 1 и представлены на графике (рис. 2).

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики талой и водопроводной воды при температуре 30°С

Таблица 1. Вольт-амперные характеристики талой и водопроводной воды при температуре 30°С

Исходя из полученных данных была вычислена средняя электропроводность водопроводной и талой воды при температуре 30°С : = 0,005 См, = 0,004 См

Эксперимент №2: Для второго эксперимента обе жидкости были нагреты до температуры 40°С.Измерения были воспроизведены согласно методике эксперимента №1. Результаты приведены в таблице 2 и представлены на графике (рис. 3):

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики талой и водопроводной воды при температуре 40°С

Таблица 2. Вольт-амперные характеристики талой и водопроводной воды при температуре 40°С

Исходя из полученных данных была вычислена средняя электропроводность водопроводной и талой воды при температуре 40°С : = 0,006 См, = 0,004 См

Эксперимент №3: Для третьего эксперимента жидкости снова были нагреты, и температура повысилась до 50°С. Измерения были воспроизведены согласно методике эксперимента №1. Результаты приведены в таблице 3 и представлены на графике (рис.4):

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики талой и водопроводной воды при температуре 50°С

Таблица 3. Вольт-амперные характеристики талой и водопроводной воды при температуре 50°С

Исходя из полученных данных была вычислена средняя электропроводность водопроводной и талой воды при температуре 50° С: = 0,006 См, = 0,005 См.

Результаты всех проведённых экспериментов представлены на графике (рис. 5):

Рис. 5. Характеристика зависимости электропроводности талой и водопроводной воды от температуры.

Анализ данных позволяет сделать вывод о том, что:

• • вода исследуемых видов не является чистой, так как обладает определенной электропроводностью.

  • наибольшей электропроводностью обладает водопроводная вода

  • при нагревании воды – электропроводность увеличивается

2.2 Исследование зависимости электропроводности от концентрации раствора соли

Цель исследования: Исследовать зависимость электропроводности от концентрации раствора соли

Эксперимент 1: Для проведения эксперимента был подготовлен раствор, путем растворения 2,5г поваренной соли в 300мл водопроводной воды, помещённый в пластиковый стакан. Затем, поместив в него электроды и постепенно подавая на них напряжение, были произведены измерения силы тока. Результаты приведены в таблице 4 и представлены на графике (рис. 6):

Рис. 6. Вольт-амперные характеристика водного раствора соли концентрацией 2,5г/300мл

Таблица 4.Вольт-амперные характеристика водного раствора соли концентрацией 2,5г/300мл

Исходя из полученных данных была вычислена средняя электропроводность водного раствора с концентрацией 2,5г/300мл: = 0,012 См

Эксперимент 2: Для проведения второго эксперимента в ранее подготовленный раствор было добавлено еще 2,5г поваренной соли. Таким образом, был получен раствор с концентрацией 5г/300мл. Измерения были воспроизведены согласно методике эксперимента №1. Результаты приведены в таблице 5 и представлены на графике (рис. 7):

Рис. 7. Вольт-амперные характеристика водного раствора соли концентрацией 5г/300мл

Таблица 5.Вольт-амперные характеристика водного раствора соли концентрацией 5г/300мл

Исходя из полученных данных была вычислена средняя электропроводность водного раствора с концентрацией 5г/300мл:

= 0,022 См

Результаты всех проведённых экспериментов представлены на графике (рис. 8):

Рис. 8. Характеристика зависимости электропроводности водного раствора соли от концентрации

Анализ данных позволяет сделать вывод: при повышении концентрации электропроводность раствора возрастает.

2.4 Анализ результатов экспериментов

Электропроводность воды зависит от степени минерализации и температуры. Минерализация воды резко понижает ее удельное электрическое сопротивление. Поэтому по величине электрической проводимости воды можно судить о степени минерализации вод.

Заключение

Целью работы было изучение и определение от каких параметров зависит электропроводность воды и водных растворов. Поставленные эксперименты и анализ их результатов показали, что электропроводность воды зависит от концентрации в ней солей и температуры. В ходе исследования были решены все поставленные задачи, изучены существующие методики и проанализированы полученные результаты экспериментов. Полученные данные могут быть полезны на уроках физики.

В ходе эксперимента мы убедились, что, измеряя электропроводность воды, можно судить о ее качестве. Таким образом, выдвинутая нами гипотеза подтвердилась.

Мы также убедились, что для оценки качества воды достаточно школьного оборудования, предназначенного для уроков физики.

Список литературы

1. Головина, О.И. Геоэкологические проблемы поверхностных вод Курской области // Экология региона: электрон. журн. 2023. № 4. URL: (дата обращения: 14.01.2026).

2.Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. СПб.: Лань, 2015. 672 с.

3. Перышкин А.В.- Физика, 8 класс. 3-е изд., стереотип. – М: Дрофа, 2015.

4. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика. Электродинамика (углублённый уровень). М.: Дрофа.

5. Сваровская Н.А., Колесников И.М., Винокуров В.А. Электрохимия растворов электролитов. Часть I. Электропроводность: учебное пособие/ Н.А. Сваровская, И.М. Колесников, В.А. Винокуров. — М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, 2017. — 66 с.

6.Федеральное агентство водных ресурсов: офиц. сайт. Москва. URL:  (дата обращения: 14.01.2026)