Вопросы и задания для контроля

Лабораторная работа 2.6 «Изучение температурной зависимости электрического сопротивления электролита »

Теоретические основы

Основные понятия, определения и формулы

1. Электролиты – это вещества, которые проводят электрический ток вследствие диссоциации их молекул на ионы (это происходит в растворах и расплавах).

2. Диссоциацией называется распад нейтральных молекул вещества на положительные и отрицательные ионы.

3. Рекомбинацией называется процесс, обратный диссоциации – воссоединение ионов при их столкновении с образованием нейтральных молекул. В электролитах при фиксированной температуре устанавливается определенное динамическое равновесное состояние, при котором число ионов в единице объема можно считать неизменным.

4. Коэффициент диссоциации численно равен доле молекул вещества, распавшихся на ионы: , где n – концентрация распавшихся молекул вещества, n₀ – концентрация молекул растворенного вещества

Цель работы — ознакомиться с закономерностями прохождения электрического тока через электролиты; экспериментально изучить зависимость сопротивления электролита от температуры и определить температурный коэффициент сопротивления электролита.

Вопросы для допуска к лабораторной работе

1. Сформулировать цель работы.

2. Какие вещества называются электролитами?

3. Какими носителями электрического заряда создается электрический ток в растворах или расплавах электролитов?

4. Как происходит процесс электролитической диссоциации молекул?

5. Что называется коэффициентом диссоциации и от чего он зависит?

6. Какой процесс называется рекомбинацией?

Методика и порядок измерений

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы — к положительному электроду (аноду).

Рисунок — Электролиз водного раствора хлорида меди

Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl₂ диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора: . Следует отметить, что процесс диссоциации молекул растворенного вещества происходит вследствие взаимодействия их с молекулами растворителя, т.е. он происходит и в отсутствии внешнего электрического поля. Силы межмолекулярного взаимодействия имеют электростатическую природу.

При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора — к аноду (см. рис. 1).

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают по одному электрону. После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl₂. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков.

Наряду с диссоциацией молекул происходит и обратный процесс — воссоединение ионов при их столкновениях (рекомбинация). При каждой температуре устанавливается определенное равновесное состояние, при котором число ионов в единице объема приблизительно постоянно. Отношение концентрации распавшихся на ионы молекул (n) к концентрации молекул растворенного вещества (n₀) называется коэффициентом диссоциации; он показывает, какая доля молекул растворенного вещества распалась. Коэффициент диссоциации зависит от концентрации раствора, от рода растворителя и от температуры. С повышением температуры α увеличивается. Молекулы растворителя обволакивают ион, образуя вокруг него сольватную оболочку. Это, во-первых, затрудняет рекомбинацию ионов, во-вторых, затрудняет движение ионов — фактически в растворе движется сольват — шарик, состоящий из иона и сольватной оболочки вокруг него.

При наличии внешнего электрического поля плотность тока в электролите определяется выражением: j=q⁺n⁺u⁺+q n u , где q⁺, q — величина зарядов положительных и отрицательных ионов, n⁺, n — их концентрация, u⁺, u — их скорости направленного движения. Заряд иона кратен элементарному заряду (e=1,6 Кл): q=ez, где z – валентность иона. Из закона сохранения электрического заряда следует q⁺n⁺= q n =qn,последнее выражение определяет суммарный заряд ионов одного знака в единице объема. Тогда плотность тока j=qn .

Скорость упорядоченного движения сольвата можно найти из следующих соображений. В электрическом поле на сольват вдоль направления движения действуют электрическая сила и сила внутреннего трения жидкости , где — радиус сольвата, — коэффициент вязкости жидкости. При установившемся движении = , откуда =bE, где — подвижность иона, т.е. подвижность иона численно равна скорости направленного движения соответствующего иона при напряженности электрического поля, равной единице. В общем случае подвижности ионов противоположных знаков не одинаковы.

С учетом вышесказанного выражение для плотности тока принимает вид j=qn . Отсюда следует, что для электролитов также выполняется закон Ома , где удельная электропроводность = qn = qn₀ . Удельное сопротивление электролита . С повышением температуры сопротивление электролита довольно быстро убывает, поскольку возрастает коэффициент диссоциации и уменьшается вязкость электролита.

В небольших интервалах температур можно приближенно считать, что сопротивление электролита уменьшается линейно с ростом температуры. В этом приближении зависимость сопротивления электролита от температуры , где R₁ и R₂ — сопротивления электролита соответственно при температурах t₁ и t₂, — средний температурный коэффициент сопротивления, численно равный относительному изменению сопротивления электролита, при изменении температуры электролита на 1 . Таким образом, измерив сопротивление электролита при двух различных температурах, можно приближенно определить его температурный коэффициент сопротивления.

Измерения

Электрическая схема, общий вид лабораторной установки и порядок выполнения работы показаны в дополнении к работе, находящемся на рабочем месте. Учитывая дополнение, проделайте следующее.

1. Измерьте сопротивление электролита при его нагревании от 20 до 80 через каждые 10 . Результаты измерений занесите в таблицу.

2. Измерьте сопротивление того же электролита при его остывании от 80 до 20 через каждые 10 . Результаты измерений занесите в таблицу.

3. Рассчитайте среднее значение сопротивления при каждой температуре.

4. По средним значениям сопротивления вычислите 3 значения температурного коэффициента сопротивления для различных температурных интервалов.

Таблица

t		20	30	40	50	60	70	80
R, Ом	нагревание
R, Ом	остывание
_ср, Ом

Расчет температурного коэффициента сопротивления
t₁	R₁, Ом	t₂	R₂, Ом	, К^-1

5. По экспериментальным данным постройте график зависимости R_ср (t).

6. Запишите найденное значение в виде: . Сформулируйте вывод по работе.

Вопросы и задания для контроля

I уровень

1. Сформулируйте определение и запишите выражение для температурного коэффициента сопротивления электролита.

2. В каких единицах измеряется температурный коэффициент сопротивления?

3. Что является носителям зарядов в электролитах?

4. В результате чего появляются в электролитах ионы?

5. Опишите процесс диссоциации в жидких электролитах.

6. Что является количественной характеристикой процесса диссоциации?

7. Что называется подвижностью иона?

8. Одинаковая ли подвижность положительных и отрицательных ионов в электролитах?

II уровень

9. Объясните полученную Вами экспериментально зависимость сопротивления электролита от температуры.

10. Выполняется ли для электролита закон Ома?

11. Получите аналитическое выражение закона Ома в дифференциальной форме для электрического тока в электролитах.

12. Воздух между плоскими электродами ионизационной камеры ионизируется рентгеновским излучением. Сила тока, текущего через камеру, равна 1,5 мкА. Площадь каждого электрода равна 300 см² , расстояние между ними 2 см, разность потенциалов 100 В. Найти концентрацию пар ионов между пластинами, если ток далек от насыщения. Подвижность положительных ионов 1,4 и отрицательных 1,9 . Заряды ионов равны элементарному заряду.

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 223; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!