Wydział: Metale Nieżelazne	Data wykonania ćwiczenia: 18.11.2015
KIERUNEK: Metalurgia	NR ĆWICZENIA: 1
TYTUŁ ĆWICZENIA: Pomiar przewodnictwa elektrycznego elektrolitów fluorkowych.
Grupa: Justyna Juszkiewicz Paulina Piętak Monika Plucik Maksymilian Flig	Data oddania sprawozdania: 25.11.2015
	Data oddania sprawozdania do poprawy:

1. Cel ćwiczenia.

Zapoznanie z techniką pomiaru przewodnictwa elektrycznego elektrolitów fluorkowych metodą EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) .

1. Opis wykonania ćwiczenia.

Przygotowaliśmy 100 ml 0,1 M roztworu KCl i przelaliśmy go do zlewki. W uchwytach statywów umieściliśmy elektrodę ruchomą i nieruchomą oraz kapilarę alundową. Elektroda ruchoma została zamocowana w wysokościomierzu, dzięki czemu mogliśmy precyzyjnie kontrolować jej poziom zanurzenia. Następnie podpięliśmy przewody pomiarowe, przewód elektrody referencyjnej został połączony z przewodem przeciwelektrody i podłączony do elektrody nieruchomej, natomiast przewód elektrody pracującej połączyliśmy z elektrodą ruchomą. Zanim uruchomiliśmy program AUTOLAB NOVA ustawiliśmy zakres częstotliwości od 100000 do 100 Hz, 8 pomiarów, wyzerowaliśmy wysokościomierz. Uruchomiliśmy program naciskając przycisk START. Po zakończeniu pomiaru podnosiliśmy elektrodę o 2mm i powtarzaliśmy pomiar. Pomiary zostały wykonane dla odległości międzyelektrodowych od 0 do 14 mm. Po zakończeniu pomiarów zmierzyliśmy temperaturę roztworu.

1. Opracowane wyniki.

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego.

1. Zestawienie wyników pomiarów składowych impendacji. Wykres Nyquista –Z’’=f(Z’). Zależność Rm=f(L).

Odległość międzyelektrodowa L (mm)
0
Składowe impedancji
Z' (Ω)
194,687
195,605
196,041
196,669
197,249
198,025
198,918
199,979
201,244
202,733
204,44
206,492
208,942
211,74
215,02
218,757
223,02
227,833
233,246
239,233
245,838
253,046
260,899
269,366
278,572
288,577
299,205
310,848
323,625
337,546

Tab.1 Zestawienie wyników pomiarów składowych impedancji: rzeczywistej (Z’) oraz urojonej (-Z’’) dla odległości międzyelektrodowych 0, 2, 4 i 6 mm.

Ad 2. Zestawienie wyników pomiarów składowych impendacji cd.

Odległość międzyelektrodowa L (mm)
8
Składowe impedancji
Z' (Ω)
417,341
417,685
417,485
419,128
419,675
420,65
421,642
422,68
423,979
425,513
427,217
429,309
431,821
434,653
437,878
441,573
445,773
450,494
455,796
461,647
468,1
475,22
482,979
491,447
500,273
510,168
521,246
533,167
546,077
560,375

Tab.2 Zestawienie wyników pomiarów składowych impedancji: rzeczywistej (Z’) oraz urojonej (-Z’’) dla odległości międzyelektrodowych 8, 10, 12 i 14 mm.

Wykres 1. Wykres Nyquista –Z’’=f(Z’)

Ze względu na złożony przebieg wykresu Nyquista dla odległości 14 cm, pomiar ten pominięto w dalszych obliczeniach.

L[cm]	Rm[Ω]
0	186,801
0,2	243,001
0,4	297,76
0,6	353,195
0,8	407,974
1	436,016
1,2	531,665

Tab.3 Zestawienie składowych rzeczywistych spełniających warunek –Z’’=0, odpowiadających oporowi mierzonego elektrolitu.

Wykres 2. Zależność oporu mierzonego elektrolitu od odległości międzyelektrodowej.

1. Obliczenia przewodnictwa elektrycznego roztworu.

$$K = \frac{1}{\frac{\text{dR}}{\text{dL}}*S}\text{\ \ \ \ }$$

$$\frac{\text{dR}}{\text{dL}} = tg\alpha = a = 27,336$$

$$S = \pi r^{2} = \pi\frac{{d_{sr}^{2}}_{}}{4} = \pi\frac{{(6,175mm)}^{2}}{4} \approx 29,93\ \text{mm}^{2} = 0,2993\ \text{cm}^{2}$$

$$K = \frac{1}{273,36\frac{\frac{1}{S}}{\text{cm}}*0,2993\text{cm}^{2}} \approx 0,0122\frac{S}{\text{cm}}\ $$

gdzie:

κ – przewodnictwo elektryczne, S/cm

S-przekrój poprzeczny słupa cieczy, cm²

L-wysokość słupa cieczy, cm

1. Odchylenie względem wartości literaturowej.

Tab.4 Przewodnictwo właściwe wodnych roztworów KCl.

Odczytujemy wartość przewodności dla stężenia 0,1 M i temperatury 19 ^oC

$$K = 0,01143\frac{S}{\text{cm}}$$

Zmierzona empirycznie wartość jest bardzo zbliżona do wartości literaturowej.

1. Obliczenia przewodnictwa elektrycznego elektrolitu stosowanego do otrzymywania aluminium metodą.

Przykładowe obliczenie dla %wag. Nad AlF₃=3 w temperaturze 980°C

$$K = e^{1,997 - 0,02*0,02 - 0,006*0,04 - 0,0106*0,03 + 0,0121*0,01 - 0,0131*0,03 - \frac{1204,3}{1253}} = \ 2,4915\lbrack S\rbrack$$

Analogicznie zostały wykonane obliczenia dla pozostałych parametrów.

Temperatura [°C]	K dla 3% wag nad AlF3	K dla 6% wag nad AlF3	K dla 7% wag nad AlF3	K dla 9% wag nad AlF3	K dla 11% wag nad AlF3	K dla 13% wag nad AlF3	K dla 15% wag nad AlF3	K dla 17% wag nad AlF3	K dla 20% wag nad AlF3
980	2,4914546	2,427026	2,364264	2,303125	2,243566	2,185548	2,129031	2,073974	1,994048
990	2,5104867	2,445566	2,382324	2,320718	2,260705	2,202244	2,145294	2,089817	2,00928
1000	2,5293618	2,463953	2,400236	2,338166	2,277702	2,218801	2,161423	2,10553	2,024387
1010	2,5480812	2,482188	2,418	2,355471	2,294559	2,235222	2,17742	2,121112	2,039369

Tab. 3 Zestawienie obliczonych wartości przewodnictwa elektrycznego elektrolitu stosowanego do otrzymywania aluminium dla poszczególnych temperatur.

1. Zależność przewodnictwa od zawartości dodatku dla poszczególnych temperatur K= f( % wag. dodatku.)

Wyk. 3 Zależność przewodnictwa od zawartości dodatku AlF₃

1. Wnioski

Na wykresie Nyquista zauważamy, że zależność impedancji rzeczywistej od urojonej, ma bardzo podobny przebieg dla kolejnych odległości międzyelektrodowych, zmieniają się jedynie wartości impedancji rzeczywistej: im większa odległość, tym większe wartości impedancji rzeczywistej. Co za tym idzie wartość odczytywanej składowej urojonej impedancji równej –Z’’=0,odpowiadającej oporowi mierzonego elektrolitu, jest dla kolejnych, coraz większych odległości międzyelektrodowych proporcjonalnie większa. Pozwala to na wykreślenie zależności zobrazowanej na wykresie 2, Jest to zależność liniowa.Odczytanie współczynnika kierunkowego tej prostej oraz obliczenie przekroju kapilary pomiarowej, pozwoliło na wyznaczenie wartości przewodnictwa elektrycznego elektrolitu które wyniosło K= 0,0122 [S/cm]. Jest to wartość zbliżona do wyszukanej wartości literaturowej. Wartość przewodnictwa natomiast maleje wraz ze wzrostem nadmiaru AlF3 ponad skład stechiometryczny kriolitu, czyli wraz ze zmniejszającą się liczbą kriolitową.

1. Literatura

http://home.agh.edu.pl/~dabek/Przewodnictwo_w3aoeciwe_wodnych_roztworow_KCl.pdf