Современная школа ставит задачу формирования современных ключевых компетенций, универсальных знаний, умений и навыков, опыта самостоятельной деятельности обучающихся. Школа должна содействовать успешной социализации молодежи в обществе, её активной адаптации на рынке труда, приобщению учеников к творческой и исследовательской деятельности. Для этого необходимо поставить ученика в условия исследователя, первооткрывателя. Такую возможность даёт использование в образовательном процессе новых технических средств обучения, цифровых лабораторий. Особого внимания заслуживает цифровая лаборатория Relab, работа с которой может проводиться как на уроках физики, так и во внеурочное время с любой категорией обучающихся.
С прохождением тока в жидких средах связано очень многое в жизни человека. С первого удара сердца («живое» электричество в теле человека, на 70-80% состоящем из воды) до автомобилей на улице, плееров и мобильных телефонов (неотъемлемой частью этих устройств являются электрохимические элементы питания и различные аккумуляторы) [3]. Без растворов жизнь невозможна. Сладкий чай, который мы пьем, жидкие лекарства, которыми мы лечимся, нефть, которую мы добываем из под земли - это растворы. Мировой океан это тоже водный раствор. Все вокруг - от хромированной решетки радиатора автомобиля до посеребрённой ложки когда-либо сталкивалось с раствором или расплавом солей, а, следовательно, и с электрическим током в жидкостях. Возникает вопрос, почему многие растворы являются проводниками электрического тока, и какие факторы могут повлиять на электропроводность растворов?
Анализ литературы позволил сделать вывод о том, что на практике определение электрической проводимости растворов электролитов практически сводится к измерению их сопротивления электрическому току. Принципиально измерение сопротивления растворов может быть проведено как с помощью постоянного, так и переменного тока. На практике преимущественное распространение получили методы, основанные на применении переменного тока высокой частоты. Использование переменного тока позволяет избежать электролиза, влекущего за собой изменение концентрации электролита и поляризации электродов, а также уменьшить влияние тормозящих электрофоретического и релаксационного эффектов. Для уменьшения поляризации электроды предварительно платинируют. В результате чего увеличивается истинная поверхность электродов по сравнению с геометрической поверхностью, и за счет этого резко снижается плотность тока [2].
На практике электропроводность растворов определяют следующими методами анализа:
- кондуктометрическим методом, основанным на зависимости электропроводности от концентрации раствора [2];
- методом компенсации с использованием реохордного моста, в основе которого лежит определение величины его сопротивления электрическому току [1].
Достоинствами этих методов анализа являются простота эксперимента, высокая чувствительность, малая погрешность измерения, возможность работы с мутными, окрашенными и непрозрачными средами. Недостаток кондуктометрического метода анализа: малая селективность метода [1].
Приведём серию опытов, позволяющих наглядно, быстро и с большой точностью экспериментально определить факторы, влияющие на электропроводность электролитов с помощью датчиков тока и температуры цифровой лаборатории Relab.
Тема исследования: "Изучение особенностей прохождения тока в жидких средах с использованием цифровой лаборатории Relab".
Объект исследования: электролит.
Предмет исследования: электропроводность растворов.
Цель исследования: изучение факторов, влияющих на электропроводность электролитов с помощью датчиков тока и температуры цифровой лаборатории Relab.
Задачи исследования:
- подбор литературы по выбранной проблеме;
- изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;
- определение зависимости силы тока от плотности электролита при постоянной температуре, сравнение электропроводностей разных электролитов, определение зависимости силы тока от температуры электролита;
- обработка и анализ полученных материалов.
Гипотеза исследования: если электропроводность необязательная и непостоянная характеристика растворов, значит, есть факторы, которые обуславливают появление этого процесса и степень интенсивности его проявления.
Список необходимого оборудования, представлен в таблице 1.
Таблица 1.
Оборудование, используемое в ходе исследования
|
№
|
Название приборов и материалов |
Количество |
|
1 |
Мензурка (V = 100 мл) |
1 |
|
2 |
Мультидатчик ФИЗ-1 (с датчиком тока) |
1 |
|
3 |
Мультидатчик ФИЗ-2 (с датчиком температуры) |
1 |
|
4 |
Температурный зонд |
1 |
|
5 |
USB кабель |
1 |
|
6 |
Ноутбук Lenovo |
1 |
|
7 |
Соль в упаковке |
1 |
|
8 |
Чайная ложка |
1 |
|
9 |
Соль в упаковке |
1 |
|
10 |
Сахар песок в упаковке |
1 |
|
11 |
Порошок медного купороса в упаковке |
1 |
|
12 |
Пластиковый стакан |
4 |
|
13 |
Источник постоянного тока ИПД-1 |
1 |
|
14 |
Панель с двумя угольными электродами |
1 |
|
15 |
Штатив с муфтой и лапкой |
1 |
|
16 |
Электрическая лампа (U = 6,3 В) |
1 |
|
17 |
Ключ |
1 |
|
18 |
Стеклянная банка (V = 0,5 л) |
1 |
|
19 |
Электрическая плитка (Р = 350 Вт) |
1 |
|
20 |
Электронные весы |
1 |
|
21 |
Удлинитель |
1 |
|
22 |
Фотоаппарат цифровой |
1 |
Порядок проведения эксперимента
1. Определение зависимости силы тока от плотности раствора соли при постоянной температуре
1) В мензурку наливается водопроводная вода объёмом 100 см3. Температурный зонд подключается к мультидатчику ФИЗ-2 и опускается в воду. Мультидатчик ФИЗ-2 подключается к USB разъёму ноутбука Lenovo, запускается программа измерений Relab Lite (рис. 1) и измеряется температура воды.
Определение температуры водопроводной воды
а) снятие показаний
б) величина температуры
Рис. 1
2) Приготавливаются три раствора соли разной плотности температурой 15,8 oС. Для этого в первом стакане с водопроводной водой объёмом 100 см3 растворяется соль массой 10 г (одна чайная ложка). Во втором стакане с водой объёмом 100 см3 растворяется соль массой 20 г (две чайные ложки), в третьем стакане с водой объёмом 100 см3 растворяется соль массой 30 г (три чайных ложки). С помощью электронных весов определяется масса пустой мензурки. В мензурку поочерёдно помещаются растворы соли объёмом 100 см3, и определяется общая масса мензурки с раствором соли. Путём вычитания из общей массы мензурки с раствором массы мензурки рассчитывается масса раствора соли. Пользуясь формулой расчёта ρ = m/V, определяется плотность каждого раствора соли.
3) Собирается электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых источника постоянного тока ИПД-1, панели с двумя угольными электродами, закреплёнными в лапке штатива так, чтобы опущенные в банку электроды были погружены в раствор соли, лампочки на 6,3 В, ключа и датчика тока, входящего состав мультидатчика ФИЗ-1, подключённого к USB разъёму ноутбука.
4) Через растворы соли разной плотности попускается постоянный электрический ток (рис. 2), и устанавливается зависимость силы тока в электролите от плотности вещества электролита. Электрическая лампа используется для наглядности опыта.
Установление зависимости силы тока в электролите от плотности электролита
а) раствор соли 1
б) раствор соли 2
в) раствор соли 3
Рис. 2
5) Обобщаются результаты эксперимента: при увеличении плотности раствора соли возрастает сила тока в нём (табл. 2, рис. 3).
Таблица 2.
Зависимость силы тока в растворе соли от плотности раствора соли
|
Номер
опыта |
Название
|
Плотность жидкости
|
Сила тока
|
|
1 |
Раствор соли 1 |
1022,3 |
0,41 |
|
2 |
Раствор соли 2 |
1047,7 |
0,42 |
|
3 |
Раствор соли 3 |
1062,4 |
0,43 |
Графическая интерпретация зависимости силы тока от плотности раствора соли
Рис. 3
Расчёт плотности растворов соли представлен в таблице 3.
Таблица 3.
Определение плотности растворов соли
| № |
Название
|
Масса мензурки
|
Масса мензурки с
|
Масса
|
Объём
V, см3 |
Плотность
|
Плотность
ρ, кг/м3 |
|
1 |
раствор соли 1 |
66,53 |
168,76 |
102,23 |
100 |
1,0223 |
1022,3 |
|
2 |
раствор соли 2 |
66,53 |
171,30 |
104,77 |
100 |
1,0477 |
1047,7 |
|
3 |
раствор соли 3 |
66,53 |
172,65 |
106,24 |
100 |
1,0624 |
1062,4 |
Значения силы тока в растворах соли разной плотности представлены на рисунке 4.
Сила тока в растворах соли разной плотности
а) сила тока в растворе соли 1
б) сила тока в растворе соли 2
б) сила тока в растворе соли 3
Рис. 4
При увеличении плотности раствора соли возрастает сила тока в нём. Это объясняется тем, что при увеличении плотности раствора растёт число диссоциированных молекул NaCI на ионы Na+ и CI -, то есть растёт число носителей электричества - положительных и отрицательных ионов. При подаче напряжения положительные ионы перемещаются к отрицательно заряженному электроду, а отрицательные ионы - к положительно заряженному. Тем самым ионы создают условия протекания тока в растворе поваренной соли.
2. Сравнение электропроводности разных электролитов (водопроводной воды, раствора сахара, раствора медного купороса, раствора соли).
1) С помощью электронных весов определяется масса пустой мензурки. В мензурку наливается водопроводная вода объёмом 100 см3 и определяется общая масса мензурки с водой (рис. 5). Путём вычитания из общей массы мензурки с водой массы мензурки рассчитывается масса воды. Пользуясь формулой расчёта ρ = m/V, определяется плотность воды.
Определение массы мензурки с водой
Рис. 5
2) Приготавливаются растворы сахара, соли и медного купороса температурой 15,8 oС. Для этого в каждом из трёх стаканов с водопроводной водой объёмом 100 см3 растворяются по 10 г (по одной чайной ложке) сахар-песок, порошок медного купороса, соль. В мензурку поочерёдно наливаются полученные растворы объёмом по 100 см3, и определяется общая масса мензурки с раствором (рис. 6). Путём вычитания из общей массы мензурки с раствором массы мензурки рассчитывается масса раствора. Пользуясь формулой расчёта ρ = m/V, определяется плотность каждого раствора.
Определение массы мензурки с раствором
а) с раствором сахара
б) с раствором медного купороса
Рис. 6
3) Через каждый электролит массой 20 г пропускается электрический ток, и с помощью датчика тока определяется сила тока в каждом случае (рис. 7).
Определение силы тока в растворе медного купороса
Рис. 7
4) Обобщаются результаты эксперимента: высокую электропроводность имеют растворы соли и медного купороса. Низкую электропроводность имеют водопроводная вода, раствор сахара (табл. 4, рис. 8).
Таблица 4.
Зависимость электропроводности от рода жидкости
|
Номер
опыта |
Название жидкости |
Плотность жидкости
|
Сила тока
|
|
1 |
водопроводная вода |
977,7 |
0,12 |
|
2 |
раствор сахара |
998,7 |
0,19 |
|
3 |
раствор медного купороса |
1021,4 |
0,37 |
|
4 |
раствор соли |
1022,3 |
0,41 |
Сила тока в разных электролитах
а) водопроводная вода
б) раствор сахара
в) раствор медного купороса
г) раствор соли
Рис. 8
Высокую электропроводность имеют растворы соли и медного купороса за счёт диссоциации молекул. Низкую электропроводность имеют водопроводная вода, из-за наличия в ней небольшого количества растворённых солей и раствор сахара, который при растворении не разлагается на носители зарядов.
3. Определение зависимости силы тока от температуры электролита.
1) С помощью электрической плитки нагревается раствор медного купороса.
2) Устанавливается связка датчиков тока и температуры (рис. 9). Устанавливается зависимость силы тока от температуры в растворе медного купороса (рис. 10).
Внешний вид установки для определения силы тока от температуры
Рис. 9
Определение зависимости силы тока от температуры в растворе медного купороса
Рис. 10
3) Обобщаются результаты эксперимента: с увеличением температуры увеличивается сила тока в растворе медного купороса (табл. 5, рис. 11, рис. 12).
Таблица 5.
Установление зависимости между силой тока в электролите от его температуры
| Номер опыта |
Температура t, oС |
Сила тока I, А |
|
1 |
20,4 |
0,41 |
|
2 |
37,7 |
0,42 |
|
3 |
54,5 |
0,43 |
|
4 |
65,5 |
0,44 |
Графическая интерпретация зависимости силы тока в электролите от его температуры
Рис. 11
Зависимость силы тока в электролите от его температуры
а) сила тока при t = 20,4 oС
б) сила тока при t = 37,7 oС
в) сила тока при t = 54,5 oС
г) сила тока при t = 65,5 oС
Рис. 12
С увеличением температуры увеличивается сила тока в растворе медного купороса, так как с увеличением температуры уменьшается вязкость жидкости, увеличивается подвижность ионов и концентрация ионов.
Таким образом, факторами, влияющими на электропроводность электролитов, являются плотность электролита (концентрация ионов в растворе), природа электролита, температура. Выдвинутая гипотеза справедлива.
Полученные результаты подтверждают физические законы и теории.
Работа в выбранном направлении может быть продолжена изучением влияния материала электродов на количество и качество продуктов электролиза.
Достоинством опытов с использованием датчиков тока и температуры цифровой лаборатории Relab, является наглядность эксперимента, точность измерения и быстрота проведения анализа.
Использование данного подхода в изучении вопроса о протекании тока в электролитах, позволит повысить эффективность учебного процесса при изучении темы «Электрический ток в жидкостях» на уроках физики и химии в 10 классе.
Список использованной литературы
- Конькова А.В. Электропроводность растворов электролитов: практическое руководство. / А.В.Конькова. - Северск: Изд-во СТИ НИЯУ МИФИ, 2010. - 15 с.
- Практикум по физической химии: учебное пособие для вузов / под ред. И.В.Кудряшова. - М.: Высшая школа, 1986. - С. 269-273.
- Электрический ток в жидкостях https://vuzlit.ru/744887/elektricheskiy_tok_v_zhidkostyah.