ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОТЕКАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В ЭЛЕКТРОЛИТАХ

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОТЕКАНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В ЭЛЕКТРОЛИТАХ
Клинчева Мария, ученица 11 класса МЭШ
Руководитель работы:
Учитель физики
Пушнов А. В.
Москва 2002
1
Содержание
1. Вступление. Почему я выбрала эту тему? .....................................................................................3
2. Обзор литературы. ...........................................................................................................................4
3. Постановка задачи. ..........................................................................................................................6
4. Эксперименты и их результаты. .....................................................................................................8
Верен ли для электролитов закон Ома? .........................................................................................9
Как зависит сила тока от расстояния между электродами?.......................................................10
Как сила тока зависит от площади электродов, погруженной в электролит? .........................11
Как зависит сила тока в электролите от температуры? .............................................................13
Заключение. Так был ли прав Аррениус? ........................................................................................14
Библиография. ....................................................................................................................................15
2
1. Вступление. Почему я выбрала эту тему?
"Установлено
концептуальное единство теории
электропроводности
растворов
электролитов
с теорией проводимости твердых тел. Для этого
предложено
четырехмерное уравнение движения
зарядов в ковариантной форме, трансформируемое
в формулу Друде для проводимостей твердых тел."
По физике мы достаточно подробно проходим законы, описывающие протекание
электрического тока в металлах. Описываются эксперименты, с помощью которых эти законы
были открыты. Упоминается так же о том, что электрический ток проводят не только металлы,
но и другие вещества, в частности,–
электролиты. Однако подробно этот вопрос не
рассматривается: электролиты упоминаются лишь для сравнения с металлами, поэтому
некоторые их свойства просто называются как факт. Мне стало интересно сравнить электролиты
и металлы на основе электропроводности и факторов влияющих на неё. Я попыталась найти
информацию на эту тему, однако встречала лишь фразы, подобные приведённой мной в
эпиграфе. Моих знаний не достаточно для того, чтобы её понять, и я решила исследовать
свойства электролитов самостоятельно, экспериментальным путём.
3
2. Обзор литературы.
Как известно, все металлы являются хорошими проводниками электрического тока. Однако
электрический ток могут проводить и другие вещества, в том числе и вода (недаром не
рекомендуется дотрагиваться до электророзеток и выключателей мокрыми руками; по этой же
причине нельзя купаться во время грозы). Если же в воде растворить, например, поваренную
соль или медный купорос, то такой раствор будет проводить электрический ток гораздо лучше.
Вещества,
водные
растворы
которых
проводят
электрический
ток,
называются
электролитами. Во время растворения электролита в воде происходит электролитическая
диссоциация — распад молекул электролита под влиянием электрического поля полярных
молекул воды на положительно и отрицательно заряженные ионы, катионы и анионы [1].
Важно, что этот процесс является обратимым. Именно благодаря электролитической
диссоциации растворы электролитов проводят ток.
Характеристикой электролитической диссоциации является степень диссоциации –
отношение числа молекул, распавшихся на ионы (n'), к общему числу растворенных молекул
Из этого выражения, очевидно, что α может изменяться от 0 (диссоциации нет)
(n):
до 1 (полная диссоциация). В зависимости от степени диссоциации различают электролиты
сильные и слабые. Электролиты со степенью диссоциации больше 30% обычно называют
сильными, со степенью диссоциации от 3 до 30% — средними, менее 3% — слабыми
электролитами. К сильным электролитам относятся почти все соли (NaCl, KCl), некоторые
кислоты (НСl, HBr, Н2SO4(разб.)) и некоторые основания (LiОН, NaOH, КОН, Са(ОН)2,). К слабым
электролитам относится большинство кислот (особенно органических) и оснований. Степень
диссоциации как сильных, так и слабых электролитов зависит от концентрации раствора
(степень диссоциации тем выше, чем более разбавлен раствор)[2]. Медный купорос CuSO4
является сильным электролитом.
Что же общего и каковы различия протекания электрического тока в металлах и
электролитами с молекулярной точки зрения? По определению электрический ток – это
упорядоченное движение заряженных частиц. В металле сквозь неподвижную кристаллическую
решетку, образованную положительными ионами, движутся
маленькие, отрицательно заряженные частицы - электроны,
то в электролите движутся и отрицательные и положительные
ионы навстречу друг другу (см рис. 1). В металлическом
проводнике
электроны
очень
малы
по
сравнению
с
упорядоченные в кристаллическую решётку атомы, и они
значительно меньше атомов. В растворе молекулы воды не представляют собой упорядоченную
структуру, и ионы примерно одинакового размера с ними, а иногда и больше.
4
Далее логично было бы сравнить, от чего зависит сопротивление металла и от чего –
раствора электролита электролитеа
Для металлического проводника существует формула сопротивленияR  
l
S
, где l - длина
проводника, S – площадь поперечного сечения, (т. е. геометрические характеричтики),  –
удельное электрическое сопротивление, величина постоянная для данного вещества при данных
условиях. Таким образом, сопротивление металлического проводника прямо пропорционально
его длине и обратно пропорционально его площади поперечного сечения. Кроме того, оно
зависит от температуры: чем выше температура, тем больше сопротивление [1]. Это можно
объяснить тем, что чем больше температура, тем быстрее и с большей амплитудой колеблются
ионы, мешая упорядоченному движению электронов.
Так же для металлического проводника сила тока прямо пропорциональна
Для электролитов я подобной формулы не нашла. Единственное, что мне удалось найти –
это замечание о том, что у электролитов с ростом температуры сопротивление уменьшается, а у
металлов увеличивается [1].
Так же я нашла теорию Аррениуса о проводимости электролитов, и её зависимости от
концентрации электролита: в ходе экспериментов Аррениус установил, что с уменьшением
концентрации электролита происходит относительное нарастание электропроводности раствора.
Электропроводимость - это величина обратная удельному [3]. Результаты эксперимента
Аррениуса кажутся странным, ведь с увеличением концентрации растёт количество заряженных
частиц, ионов, и чем их больше тем, казалось бы, сильнее и сила тока и соответственно выше
электропроводность. С другой стороны, мы знаем, что электролитическая диссоциация процесс
обратимый, и чем выше концентрация, тем чаще противоположно заряженные ионы будут
сталкиваться, и соединяться обратно в нейтральную молекулу и еще вопрос, какой из процессов
будет преобладать (хотя Аррениус, очевидно, установил, что преобладает именно процесс
обратного соединения в нейтральную молекулу).
5
3. Постановка задачи.
Вообще, я решила несколько обобщить свою задачу, переформулировав ее так: какие
факторы и каким образом влияют на протекание электрического тока в электролитах? В какой
степени мы имеем право говорить об аналогии между электрическими свойствами электролитов
и металлов, и есть ли вообще эта аналогия?
Итак, если говорить о факторах, влияющих на протекание электрического тока в металлах,
то, как известно, этими факторами являются напряжение на концах металлического проводника,
что нам показывает закон Ома,
I 
U
,
R
т. е. сопротивление постоянно и сила тока прямо
пропорциональна напряжению,
и геометрические характеристики проводника, что показывает
l
следующая формула
R
S,
где  – удельное электрическое сопротивление, величина постоянная
для данного вещества при данных условиях, l - длина проводника, S – площадь поперечного
сечения, если эту формулу подставить в закон Ома, то получается. что I=US/l, т. е. сила тока
прямо пропорциональна площади сечения и обратно пропорциональна длине проводника.
Температура проводника влияет на его сопротивление, чем больше температура, тем больше
сопротивление, а значит, чем больше температура проводника , тем меньше сила тока.
Я предполагаю, что для электролитов верны те же закономерности, что и для металлов (за
исключением температуры), однако не совсем очевидно, что такое в случае электролитов длина
и площадь сечения проводника.
Забегая вперед,
рассмотрим основную
часть
моей
экспериментальной
установки:
электролитическую ванну с электродами. Электроды подключены к источнику питания. Для
исследования закономерностей нам необходимо измерять силу тока и напряжение в
электролите, поэтому в эту цепочку подключены амперметр и вольтметр. Я предполагаю, что в
электролите ток течёт прямо от электрода к электроду, тогда длина проводника в моём случае
будет расстояние между электродами, а площадь сечения, площадь поверхности электрода.
опущенной в электролит. Тогда для электролитов аналогией длине проводника является
расстояние между электродами, а площади поперечного сечения – площадь поверхности
электрода, опущенной в воду.
Что касается температурной зависимости силы тока от температуры электролита, то здесь
ситуация должна кардинально отличаться от того, что происходит в металле и вот почему, в
электролите ток создаётся движением ионов, ионы образуются в результате распада молекулы и
разрушения некоторых её связей, для разрушения связей необходима энергия, когда мы
нагреваем электролит, мы сообщаем ему энергию, и в результате этого больше ионов
образуется. Соответственно больше температура, больше сила тока.
Так же мы знаем, что сила тока зависит от концентрации раствора электролита. Однако мы
не знаем как, т. к. в результате теоретических рассуждений возможны два противоположных
6
варианта: мне кажется, что при увеличении концентрации электролита проводимость
электролита, а, стало быть, и сила тока должна увеличиться, однако согласно результатам
Аррениуса все должно быть наоборот. Соответственно целью одного из экспериментов будет
выяснить, как же всё-таки зависит сила тока от концентрации.
Для подтверждения или опровержения своей гипотезы я провела ряд экспериментов с
электролитом – раствором медного купороса (CuSO4).
7
4. Эксперименты и их результаты.
Прежде чем проводить эксперимент, необходимо составить схему электрической цепи.
Так же необходимо выбрать оборудование и составить схему установки для экспериментов.
Оборудование: раствор медного купороса, 2 медных электрода, соединительные провода,
ванночка, амперметр, вольтметр, источник тока.
8
Верен ли для электролитов закон Ома?
Для того, чтобы проверить справедливость закона Ома для электролитов, я собрала цепь, как
показано на рисунке, и изменяла только напряжение равномерно на 1 вольт, ориентируясь на
показания вольтметра, а не на шкалу источника тока. Записывая показания амперметра для
каждого напряжения. Я остановилась на 12 вольтах, т. к. при большем напряжении у источника
тока срабатывал предохранитель.
В результате эксперимента я получила следующие данные.
Таблица1. "Зависимость силы тока, I, текущего через электролит, от напряжения в
электролите, U."
U (Вольт)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
I (A)
0,050
0,090
0,140
0,180
0,220
0,260
0,300
0,340
0,375
0,410
0,450
0,490
R (Ом)
20,0
22,2
21,4
22,2
22,7
23,1
23,3
23,5
24,0
24,4
24,4
24,5
Я построила график зависимости I от U, который похож на прямую пропорциональность (см.
график 1). График прямой пропорциональности – прямая, получившейся график конечно не
прямая, но если учесть погрешности через данные точки можно провести прямую, пусть не все
будут на ней лежать, но все точки находятся около этой прямой. Сопротивление слабо зависит
от напряжения, медленно возрастая при увеличении напряжения. Из этого можно сделать
вывод, что для раствора медного купороса закон Ома верен, по крайней мере при напряжениях 0
- 12 В.
9
Как зависит сила тока от расстояния между электродами?
Цель второго эксперимента выяснить является ли зависимость силы тока от расстояния
между электродами обратной пропорциональностью.
Для того, чтобы исследовать зависимость силы тока от расстояния я собрала цепь, как
показано на рисунке 2 и поставила электроды на максимальном расстоянии друг от друга.
Включила источник тока и равномерно уменьшала расстояние между электродами на 1 см,
записывая показания амперметра для каждого расстояния. Минимальное расстояние, которое
мне позволила моя установка 2 см, максимальное 10 см.
В результате эксперимента я получила следующие данные.
Таблица 2. "Зависимость силы тока, I, текущего через электролит, от расстояние между
электродами, l."
l (см)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
I (A)
0,070
0,060
0,049
0,045
0,039
0,034
0,030
0,028
0,026
График, который я построила по этим данным (см. график 2) похож на гиперболу, но для
того для того, что бы точно определить является ли исследуемая зависимость обратной
пропорциональностью, необходимо определить является ли
зависимость I от 1/l прямой
пропорциональностью.
Таблица 3.
l (см)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
I (A)
0,070
0,060
0,049
0,045
0,039
0,034
0,030
0,028
0,026
1/l (1/см)
0,50
0,33
0,25
0,20
0,17
0,14
0,13
0,11
0,10
X (А/см)
0,035
0,020
0,012
0,009
0,007
0,005
0,004
0,003
0,003
Я построила график зависимости I – 1/L, он похож на прямую т. е. эта зависимость
является прямой пропорциональностью. Таким образом видно, что зависимость силы тока,
текущего через электролит, от расстояния между электродами является обратной при
расстоянии от 2 см до 10 см.
10
Как сила тока зависит от площади электродов, погруженной в электролит?
Для того, чтобы исследовать зависимость тока от площади электродов, погруженных в
электролит, я собрала цепь (рис 2) и налила электролита столько, что бы электрод был опущен в
воду на 1 см. Затем я доливала электролит так, что уровень воды поднимался на 1 см, и
записывала данные для каждого уровня воды. Что бы вычислить площадь поверхности
электрода опущенную в электролит я измерила его ширину.
В ходе эксперименты я получила следующие результаты.
Таблица 4 "Зависимость силы тока, I, текущего через электролит, от площади
поверхности электрода, опущенной в электролит, S."
S (cм2)
3,5
7,0
10,5
14,0
17,5
21,0
I(A)
0,05
0,09
0,13
0,15
0,21
0,25
Я построила график зависимости I от S, который похож на прямую пропорциональность (см.
график 4). Из этого можно сделать вывод, что сила тока прямо пропорциональна площади
поверхности электрода, опущенной в электролит.
11
Как зависит сила тока от концентрации электролита?
Для того, чтобы ответить на этот вопрос мне пришлось готовить растворы медного купороса
разной концентрации. Сначала я собрала цепь, как обычно, затем налила 0,3 дм 3 воды в
ванночку. Дистиллированная вода слабо проводит ток, т. к. в ней содержится мало ионов,
однако вода, которую я взяла, была не дистиллированная, поэтому она проводила ток, и при
напряжении 5 вольт ток в цепи был 0,006 ампер. Затем я растворяла сначала по 1 грамму
медного купороса и записывала силу тока для каждого дополнительного грамма. Когда я
растворила 6 грамм, раствор был светло голубого цвета, это означало, что до насыщенного
раствора ещё далеко и тогда я стала растворять по 10 или 15 грамм, пока не получила
насыщенный раствор. Для анализа результатов я вычислила концентрацию раствора медного
купороса для каждого количества растворенных граммов используя следующие формулы:
с=n/V, c – концентрация, n – количество раствора в молях, V – объём раствора в дм3; n=m/M, m
– масса растворимого вещества в граммах, М – молярная масса растворимого вещества.
Вот полученные результаты:
Таблица 5 "Зависимость силы тока, I, текущего через электролит, от молярной
концентрации электролита, с."
c (моль/дм3)
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,13
0,33
0,65
0,75
0,85
0,96
1,06
1,08
1,19
1,40
I (А)
0,006
0,043
0,09
0,13
0,16
0,19
0,21
0,36
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,72
0,79
0,85
Мы получили, что с увеличением концентрации сила тока увеличивается, это противоречит
результатам Аррениуса, великого учёного, эксперименты которого много раз проверяли и
перепроверяли, и если бы он был не прав, то его уже давно бы опровергли. Возможно мои
результаты не совпали с результатами Аррениуса, потому то я не в точности повторила его
эксперимент.
12
Как зависит сила тока в электролите от температуры?
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, мне нужно измерять силу тока, текущего через
растворы электролита с разной температурой. Для этого я приготовила электролит при
температуре 60-70 ºС и стала измерять его температуру и силу текущего через него тока.
Полученный раствор электролита естественно остывал и по мере охлаждения, я записывала
температуру электролита и силу тока, текущего через него. В течение эксперимента напряжение
поддерживалось постоянным. Для более точных выводов, я провела эксперимент 2 раза с
различными концентрациями раствора.
В ходе эксперимента я получила следующие данные.
Таблица 6 "Зависимость силы тока, I, текущего через электролит, от температуры
электролита, t."
Эксперимент 1
Эксперимент 2
t (°C)
65
60
55
50
45
40
35
I (A)
0,200
0,185
0,176
0,170
0,160
0,150
0,145
t (°C)
78
73
70
65
60
55
50
I (A)
0,350
0,340
0,325
0,310
0,305
0,295
0,290
Полученные результаты нельзя совместить в одну таблицу, т. к. концентрация в этих
экспериментах была разной, а из предыдущего эксперимента мы знаем, что сила тока
изменяется с изменением концентрации. Я построила два графика зависимости I от t, который
похож на прямую пропорциональность (см. график 5 и 6). Из этого можно сделать вывод, что
сила тока прямо пропорциональна температуре электролита, во всяком случае при напряжении
15 В и температуре от 35 °C до 78 °C.
13
Заключение. Так был ли прав Аррениус?
В заключение я хотела бы обобщить полученные в ходе экспериментов.
Металлы и электролиты сходны тем, что для них верен закон Ома. Так же они похожи
зависимостью от своих геометрических характеристик, т. е. в металле: чем больше длинна
проводника тем меньше сила тока, аналогично в электролите, чем больше расстояние между
электродами, тем меньше силы тока. Так же в металле сила тока прямо пропорциональна
площади поперечного сечения так же и в электролите сила тока прямо пропорциональна
площади поверхности электрода, опущенной в электролит. Так же как и предполагалось, в
электролите сила тока прямо пропорциональна температуре электролита, в отличии от металла.
Так же одной из целей экспериментов было выяснить, как же всё-таки зависит сила тока от
концентрации. Мы получили, что с увеличением концентрации сила тока увеличивается, это
противоречит результатам Аррениуса, великого учёного, эксперименты которого много раз
проверяли и перепроверяли, и если бы он был не прав, то его уже давно бы опровергли.
Подобное противоречие могло возникнуть в результате следующих факторов.
В процессе эксперимента идет электролиз: на электродах осаждается медь, по этому нельзя
говорить, что концентрация была постоянна. Так же возможна реакция иона меди с водой, в
результате может образоваться CU(OH)2, более того я использовала не дистиллированную воду,
которая могла содержать примеси, с которыми медный купорос реагирует. Не могу сказать, что
бы эти факторы имели сильное влияние на результат эксперимента, ведь раствор медного
купороса имеет голубую окраску, а если это концентрированный раствор, то синнюю, значит по
степени насыщенности цвета, можно определить примерно степень концентрации раствора.
Когда я проводила эксперимент, с добавлением кристаллов медного купороса насыщенность
цвета усиливалась, а значит и концентрация увеличивалась.
Таким образом вопрос противоречия результатов экспериментов теории Аррениуса остался
открытым. Я хотела бы проверить верность закона Аррениуса для сильных и слабых
электролитов.
14
Библиография.
1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика: учебник для 10 кл общеобразовательных
учериждений, 8-е издание, М.: Просвещение, 2000.
2. http://www.postupi.ru/ucheb/chem/uch_chem_osnteorhim08.html - раздел: учебники, глава
основы теоретической химии, параграф 8 "растворы электролитов".
3. http://www.krugosvet.ru/articles/11/1001103/1001103a1.htm - энциклопедия "Кругосвет",
статья "АРРЕНИУС, СВАНТЕ АВГУСТ".
15