ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z BIOFIZYKI
SPRAWOZDANIE
Temat: Wyznaczanie liczby przenoszenia oraz ruchliwości jonów w przewodnikach jonowych.
1) Pole elektryczne - stan przestrzeni otaczającej ładunki elektryczne lub zmienne pole magnetyczne. W polu elektrycznym na ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna. Koncepcję pola elektrycznego wprowadził Michael Faraday (w połowie XIX wieku) jako opis oddziaływania ładunków elektrycznych. Z biegiem czasu okazało się, że pole elektryczne ma dużo szersze znaczenie. Ładunek poruszający się wytwarza nie tylko pole elektryczne, ale również pole magnetyczne. W ogólności oba te pola nie mogą być traktowane oddzielnie, mówi się wtedy o polu elektromagnetycznym. Podstawowymi prawami opisującymi pole elektromagnetyczne są równania Maxwella. Nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych są fotony.
2) Prawo Coulomba - jedno z podstawowych praw fizyki, opisujące siłę oddziaływania elektrostatycznego ładunków elektrycznych. Zostało opublikowane w 1785 przez francuskiego fizyka Charlesa Coulomba. Prawo Coulomba mówi, że siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Siła F oddziaływania dwóch ładunków punktowych q1 i q2 jest wprost proporcjonalna do wielkości każdego z ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi r. Można to przedstawić za pomocą wzoru:
F = k |q1q2|/r2
gdzie:
k - współczynnik proporcjonalności wyrażany w układzie SI przez:
k = 1/4πε = 1/4πεrεo
gdzie:
ε - przenikalność elektryczna ośrodka;
εr - względna przenikalność elektryczna ośrodka;
εo - przenikalność elektryczna próżni.
3) Wielkości opisujące pole elektryczne:
- natężenie pola elektrycznego - jest podstawową wielkością opisującą pole elektryczne (i niekiedy samo jest nazywane krótko polem elektrycznym). Jest to wielkość wektorowa , zdefiniowana w danym punkcie pola jako stosunek siły F wywieranej przez pole na ładunek próbny q, umieszczony w tym punkcie pola, do wartości tegoż ładunku q:
E = F/q
Ładunek, za pomocą którego określa się pole, musi być na tyle mały, by nie zmieniać rozkładu ładunków w otaczającej go przestrzeni;
- potencjał pola elektrycznego - jest polem skalarnym φ, zdefiniowane w każdym punkcie pola elektrycznego jako stosunek energii potencjalnej ładunku próbnego q umieszczonego w tym punkcie do wartości tegoż ładunku q:
φ = Ep/q;
- energia pola elektrycznego - w polu elektrycznym zgromadzona jest energia. Jest ona równa pracy potrzebnej do ułożenia układu ładunków wytwarzających dane pole elektryczne, można więc stwierdzić, że energia potencjalna układu ładunków jest równoważna energii w wytworzonym przez nie polu elektrycznym. Gęstość energii pola elektrycznego (energia zawarta w jednostce objętości) wyraża się przez:
η = ½ εo |E|2
gdzie:
εo - przenikalność elektryczna próżni;
|E| - natężenia pola elektrycznego.
- linie sił pola elektrycznego - wytworzonego przez dwa ładunki różnych znaków Do obrazowego przedstawienia pola elektrycznego używa się linii sił pola elektrycznego. Są to linie, które w każdym punkcie przestrzeni są styczne do wektora siły działającej w tym polu na dodatni ładunek próbny.
4) Dysocjacja elektrolityczna - proces rozpadu cząsteczek związków chemicznych na jony pod wpływem rozpuszczalnika, np.
NaHCO3 → Na+ + HCO3−
Do dysocjacji są zdolne związki, w których występują wiązania jonowe lub bardzo silnie spolaryzowane kowalencyjne. Zdysocjowany roztwór związku chemicznego nazywa się elektrolitem. W roztworach dysocjacja jest zawsze procesem odwracalnym. Między formą niezdysocjowaną i zdysocjowaną związku występuje w tych warunkach równowaga. W zależności od własności rozpuszczalnika i związku chemicznego, temperatury oraz występowania jonów pochodzących z innych związków równowaga ta może być bardziej przesunięta w stronę formy niezdysocjowanej lub zdysocjowanej związku. Dysocjacji elektrolitycznej w wodzie ulegają prawie wszystkie rozpuszczalne sole, wszystkie kwasy i zasady. Ujemny logarytm stałej dysocjacji jest miarą ich mocy chemicznej. Wiele związków chemicznych w stanie ciekłym i gazowym ulega też samorzutnej dysocjacji, choć jej stopień jest zazwyczaj dość niski, np. woda ulega samorzutnej dysocjacji zgodnie ze schematem:
H2O + H2O → H3O+ + OH−
Iloczyn jonowy tej dysocjacji w warunkach normalnych wynosi ok. 10−14, co oznacza że na każde 107 (10 000 000) cząsteczek wody tylko jedna ulega samorzutnej dysocjacji. Stała ta jest podstawą skali pH.
Stopień dysocjacji to stosunek liczby moli cząsteczek danego związku chemicznego, które uległy rozpadowi na jony do łącznej liczby moli cząsteczek tego związku, znajdującego się w roztworze, fazie gazowej lub stopie, w którym zaszło zjawisko dysocjacji elektrolitycznej. Stopień dysocjacji zależy od:
- struktury związku, dla którego ten stopień jest ustalany;
- rodzaju rozpuszczalnika;
- obecności w roztworze innych związków zdolnych do dysocjacji;
- stężenia roztworu (na ogół wzrasta w miarę rozcieńczania roztworu);
- temperatury (na ogół nieco wzrasta wraz ze wzrostem temperatury).
5) W elektrolitach, zarówno ciekłych, jak i stałych, nośnikami ładunku są ruchliwe jony - ujemne aniony i dodatnie kationy. W niektórych elektrolitach występują ruchliwe jony obu znaków, w innych tylko jednego. Istnieją przewodniki jonowe, wykazujące bardzo dobre przewodnictwo elektryczne nawet w stanie stałym (przewodniki superjonowe).
6) Prawo Ohma - dla prądu stałego proporcjonalność napięcia U i prądu I wyraża się wzorem:
U = RI
Współczynnik proporcjonalności R nazywa się rezystancją lub oporem elektrycznym.
Współczynnik proporcjonalności pomiędzy prądem i napięciem, oznaczany jest zwykle przez I = GU nosi on nazwę konduktancji i jest odwrotnością rezystancji
1/G = R
Prawo Ohma jest prawem doświadczalnym i w niektórych materiałach (w szczególności w metalach) jest dość dokładnie spełnione dla ustalonych warunków przepływu prądu, szczególnie temperatury przewodnika. Materiały, które się do niego stosują, nazywamy przewodnikami omowymi lub "przewodnikami liniowymi" - w odróżnieniu od przewodników nieliniowych, w których opór jest funkcją natężenia płynącego przez nie prądu. Prawo to także nie jest spełnione gdy zmieniają się parametry przewodnika, szczególnie temperatura.
I/U = const = R
gdzie:
I - natężenie prądu (w amperach - A);
U - napięcie między końcami przewodnika (w woltach - V).
7) Ruchliwość jonu, ruchliwość elektrolityczna jonu, U, współczynnik proporcjonalności pomiędzy szybkością przemieszczania się jonu w roztworze (v) a natężeniem pola elektrycznego (E) powodującego ruch tego jonu:
v=UE.
Dużą ruchliwością odznaczają się jony w roztworach nieskończenie rozcieńczonych, stopionych solach i tlenkach.
Ruchliwość jonu decyduje o przewodnictwie molowym roztworów.
8) Hittorfa liczba, liczba przenoszenia jonu, stosunek ładunku przeniesionego przez rozważany jon do całkowitego ładunku przeniesionego przez roztwór elektrolitu podczas elektrolizy. Liczba Hittorfa nie jest charakterystyczna dla jonu, ponieważ zależy od przewodnictwa równoważnikowego także innych jonów wchodzących w skład elektrolitu oraz od stężenia - maleje ze wzrostem stężenia. Dla jonów H3O+ i OH- liczba Hittorfa wynosi ok. 0,8; dla innych jonów ok. 0,5; dla cząstek obojętnych jest równa zeru. Pomiary liczby Hittorfa służą do wyznaczania ruchliwości jonów i badania struktury jonowej roztworu elektrolitów.