1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest:

• poznanie techniki pomiaru konduktacji ciała w fazie ciekłej,

• wyznaczenie przebiegu zależności konduktywności właściwej elektrolitów od temperatury w zakresie od temperatury pokojowej do ok. 50⁰C.

2. Wiadomości teoretyczne.

Do elektrolitów ( przewodników II klasy ) należą głównie roztwory soli, kwasów i zasad w wodzie lub w innych rozpuszczalnikach o dużej przenikliwości elektrycznej. Elektrolitami są substancje o wiązaniach jonowych; grupy atomów o ładunkach przeciwnego znaku przyciągają się siłami kolumbowskimi. Jeżeli siły oddziaływania między jonami zostaną znacznie zmniejszone, to doprowadzi to do zerwania wiązań. Obojętne elektrycznie cząsteczki ulegną wtedy dysocjacji, czyli rozpadowi na swobodne jony, zdolne do przewodzenia prądu. Przewodzenie prądu przez elektrolity - konduktancja jonowa - jest związana z transportem masy, bowiem nośnikami prądu są jony o stosunkowo dużej masie. Jonami dodatnimi są jony wodoru i metali, a ujemnymi - jony reszt kwasowych i grup - OH.

Stopniem dysocjacji elektrolitu nazywamy stosunek liczby cząsteczek zdysocjowanych do ogólnej liczby cząsteczek rozpuszczonych. Stopień dysocjacji zależy od:

• temperatury;

• stężenia roztworu;

• rodzaju roztworu.

Z chwilą przyłożenia do elektrolitu zewnętrznego pola elektrycznego, tzn. z chwilą zanurzenia do roztworu dwóch elektrod połączonych ze źródłem napięcia, na jony działają siły elektryczne:

F=q*E

Pod ich wpływem istniejące w roztworze kationy zmierzają do elektrody o potencjale niższym ( katoda ), a aniony do elektrody o potencjale wyższym ( anody ). W elektrolicie następuje uporządkowany ruch ładunków elektrycznych, czyli płynie prąd. Kierunek prądu jest kierunkiem ruchu ładunków dodatnich - kationów. Do prądu tego dodaje się prąd płynący w przeciwnym kierunku ładunków przeciwnego znaku - anionów.

Zjawisko przepływu prądu przez elektrolity wraz z towarzyszącymi mu procesami chemicznymi nazywamy elektrolizą.

Podczas elektrolizy na katodzie powstają produkty redukcji ( w wyniku przyłączania elektronów do jonów ), a na anodzie produkty utleniania (na skutek utraty elektronów przez jony). Opis ilościowy procesu elektrolizy dają prawa FARADAYA:

I PRAWO FARADAYA - masa m substancji wydzielonej na każdej z elektrod podczas przepływu prądu o natężeniu I przez elektrolit jest wprost proporcjonalne do ładunku elektrycznego q, który w czasie t przepłyną przez elektrolit.

m=K*I*t

gdzie K - równoważnik elektrochemiczny;

II PRAWO FARADAYA - stosunek mas m1 i m2 różnych substancji wydzielonych na elektrodach podczas przepływu jednakowych ładunków elektrycznych równa się stosunkowi ich równoważników chemicznych ( iloraz masy atomowej pierwiastka przez wartościowość ) R1 i R2:

m1/m2 = R1/R2

Z obu praw wynika:

R1/K1 = R2/K2 = const. = F

gdzie F - jest stałą FARADAYA ( Ładunek elektryczny potrzebny do wydzielania podczas elektrolizy jednego gramorównażnika substancji na każdej z elektrod ). F w układzie Si wynosi:

F = 96500 C/mol

Konduktywność czyli przewodność właściwa σ możemy bezpośrednio obliczyć ze wzoru:

σ =(1/R)*(l/S)

ponieważ pomiędzy konduktywnością a oporem właściwym zachodzi następująca zależność:

σ =1/g

,gdzie g - opór właściwy. Aby obliczyć σ z tego wzoru musimy mieć daną rezystancję i wymiary liniowe przewodnika elektrolitycznego. Konduktywność jest również nazywana przewodnością elektrolitu.

Konduktancja (przewodność czynna ) jest odwrotnie proporcjonalna do rezystancji elektrolitu:

σ =C*(1/R)

Stała C jest zależna tylko od rozmieszczenia i kształtu elektrod oraz od wymiarów geometrycznych naczynia z elektrolitem (woltametru).

Jednostką przewodnictwa σ jest jeden SIMENS: 1S=1/Ω

3. Układ pomiarowy.

Układ pomiarowy składa się z:

• wiskozymetru ( lepkościomierza ) Hopplera, w którym lepkość wyznacza się przez pomiar czasu opadania kulki w cieczy;

• naczyńko elektrolityczne wraz z sondą;

• termostat - całość układu jest termostatowana tak, że zarówno przewodność jak i współczynnik lepkości mierzone są w tej samej temperaturze;

• konduktometru cyfrowego N5711 - przyrząd ten mierzy bezpośrednio przewodnictwo dla używanej elektrody.

1 - grzałka,

2 - termometr,

3 - naczynie wypełnione elektrolitem,

4 - mieszadełko.

W naszym ćwiczeniu woltametr z elektrolitem ogrzewaliśmy z termostatu, gdzie zamontowany był również termometr. W wiskometrze i w naczyniu elektrolitycznym jest ten sam roztwór elektrolitu ( NaCl - 5% w roztworze H2O i gliceryny w stosunku 4:1 ).

4. Wykonanie pomiarów:

Ustawiłem termometr na termostacie na temp. około 20oC. Po około 20 min. temperatura cieczy w wiskometrze osiągnęła równowagę termiczną. Następnie zanotowałem czas opadania kulki. Potem ustawiając konduktometr na pomiar temperatury odczytałem temperaturę elektrolitu, a następnie zmierzyłem wartość przewodnictwa.

Później ustawiając termometr na temp.: 25oC, 30oC, 40⁰C i 45oC zmierzyłem dane z konduktometru cyfrowego. Na konduktometrze poszczególne symbole oznaczały odpowiednio:

σ - przewodnictwo ( wartość była podawana w Simensach );

T - temperatura;

Lp.	T [^0C]	ΔT [^0C]	σ [S/m]	δ σ [%]	t [s]	Δt [s]	h⋅σ [cP⋅S/m]	δh⋅σ [%]	h [cP]	δh [%]
1	22,5	1,5	0,494	0,249	184	1	1,224	1,53	2,477	1,28
2	28,2	1,5	0,571	0,288	125	1	1,228	1,67	2,150	1,39
3	37,2	1,5	0,701	0,353	98	1	1,182	1,96	1,686	1,61
4	44,6	1,5	0,812	0,408	83	1	1,160	2,20	1,428	1,79
Wartości średnie			0,645	0,325			1,199	1,84	1,935	1,52

5. Tabela wartości wpółczynnika lepkości i stałej Waldena.

6. Opracowanie wyników pomiaru.

6.1 Obliczam wartość współczynnika lepkości korzystając z zależności

h=K⋅t

gdzie:

K - jest stałą wiskozymetru (K = 0.0172 cP/s ± 0.0001 cP/s)

t - jest czasem opadania kulki między zewnętrznymi kreskami wiskozymetru.

- dla temperatury 22,5oC

h=K⋅t

h=0.0172⋅144 [cP/s⋅s]=[cP]

h=2,4768 [cP]

- błąd bezwzględny współczynnika lepkości, gdzie ΔK=0.0001[cP/s], Δt=1[s]

δh = (ΔK/K+Δt/t)⋅100%

δh = (0,0001/0,0172+1/144)⋅100% δh =1,274 [%]

6.2 Sprawdzenie reguły Waldena, z zależności

h⋅σ = const

h⋅σ =2,4768⋅0,474=1,174 [cP⋅S/m]

- błąd bezwzględny dla iloczynu h⋅σ

δx = δh+δσ

δx = 1,28 + 0,248=1,53 [%]

η [cP]

7. Wykresy h=f(T), σ =f(T).

T [⁰C]

T [⁰C]

σ [S/m]

T [⁰C]

8. Wnioski.

Jak wynika z wykresu podczas podgrzewania cieczy maleje jej współczynnik lepkości. Im wyższa temperatura, tym lepkość cieczy jest mniejsza, co było widać najlepiej poprzez ruch kulki w naczyniu, która znaczniej szybciej opadała w tym samym elektrolicie.

Z drugiego wykresu widać, że wraz ze wzrostem temperatury cieczy wzrasta przewodnictwo elektrolitu.

Iloczyny h⋅σ dla poszczególnych pomiarów są do siebie bardzo zbliżone, największa różnica pomiędzy pierwszym a ostatnim pomiarem wynosi 0,068 [cP⋅S/m]. Przyczyną tego zjawiska może być mała dokładność stopera, który nam posłużył do obliczenia współczynnika lepkości. Na błąd mogły mieć również wpływ zmiany temperatury otoczenia i wpływ zanieczyszczenia elektrody.

Wyznaczanie zależności przewodności elektrolitów od temperatury

************************************************************

************************************************************

- 6 -

************************************************************

- 1 -

---