Научно-исследовательская работа по физике «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ток в электролитах»

М УНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №2»

МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДСКОЙ ОКРУГ СИМФЕРОПОЛЬ

РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

Городской конкурс проектно-исследовательских и реферативных работ по физике «Ломоносовские чтения»

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ

Научно-исследовательская работа

Секция: физика

Работу выполнил:

Евдошенко Даниил Александрович, обучающийся 9-А класса

Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения

«Средняя общеобразовательная школа №2» муниципального образования городской округ Симферополь

Научный руководитель:

Байкова Рамиля Мукаддасовна,

учитель физики

Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения

«Средняя общеобразовательная школа №2» муниципального образования городской округ Симферополь

г . Симферополь, 2022

Содержание

Аннотация

Электрический ток в электролитах передают ионы, образовавшиеся в результате электролитической диссоциации. Положительно заряженные ионы – катионы – движутся к отрицательно заряженному электроду – катоду. Отрицательно заряженные анионы устремятся к положительно заряженному электроду – аноду. Достигнув электрода, ионы нейтрализуются, превращаясь в атомы вещества, и оседают на электродах. Это явление было изучено Майклом Фарадеем и получило название электролиза.

Введение

Электрический ток — это упорядоченное направленное движение электрических зарядов.

Носители заряда — это заряженные частицы, которые перемещаются и тем самым переносят заряд.

В металлах носителями заряда являются электроны, в растворах электролитов — положительные и отрицательные ионы, в полупроводниках — электроны и дырки, в газах положительные — ионы и электроны, в вакууме — любые заряженные частицы.

Цель работы – выяснение природы электрического тока в жидких проводниках и рассмотрение его применения на практике.

Задачи работы:

• изучение механизма электрического тока в жидких проводниках;

• рассмотрение открытия явления электролиза;

• ознакомление с краткими биографиями ученых, участвующих в исследовании этого процесса;

• сравнение первых гальванических элементов с современными батарейками ведущих фирм мира;

• сравнение батареек ведущих фирм мира между собой;

• изучение применения электролиза (тяжёлая вода, получение металлов, гальваническое производство);

• проведение экспериментов в домашних условиях с использованием процесса электролиза, создание инструкции.

Предмет исследования: проводимость электрического тока.

Методы исследования:

• анализ печатных и интернет-источников;

• опрос/анкетирование;

• опыт/эксперимент;

• вывод.

Актуальность

Еще в восьмом классе на уроках физики мы коснулись такого процесса, как электролиз. Нас особенно заинтересовал электрический ток в жидких проводниках. С этим явлением связано много непонятных до этого слов, а также имен ученых, в честь которых названы изобретения, процессы и т. д. Поэтому мы решили выяснить историю открытия электролиза, что оказалось очень занимательно.

Тема занятна еще и тем, что дает возможность интеграции школьных предметов: химии, биологии, ведь мы учимся в естественнонаучном классе.

Электролиз расплавов и растворов электролитов имеет очень широкое применение на практике. Почти в каждом заводе есть гальванический цех. В нашей жизни мы каждый день сталкиваемся с изделиями, полученными на основе этого процесса.

Кроме этого, недавно, на уроках химии мы изучали процесс получения металлов, в котором, конечно же, не обошлось без электролиза. К сожалению, этот момент был изучен недостаточно подробно, а нас он очень заинтересовал, в связи с этим подробно ознакомились с теоретической частью данного процесса, а также раскрыли его на практике.

Таким образом, тема очень актуальна в наше время, дает возможность её глубокого раскрытия, а также дальнейшего изучения и разработки.

1. Электрический ток в электролитах - механизм возникновения и законы

Не только твердые тела могут выступать в роли проводников электротока, но и жидкости. В физике такие вещества называются электролитами. Отличным примером здесь может служить раствор поваренной соли. При этом вода и кристаллы NaCl в отдельности являются диэлектриками. Появление электрического тока в электролитах предполагает наличие в них свободных заряженных частиц.

Передача электротока

Электроток представляет собой упорядоченное движение свободных зарядов. Чтобы выяснить, как электрический ток проводится в растворах, следует понять, какие частицы являются его носителями. В твердых телах ток создается электронами. Носителями электрического тока в электролитах являются ионы. Эти частицы образуются в результате процесса распада (электрической диссоциации) молекул вещества под воздействием воды в растворах либо при нагревании и последующем появлении расплава.

Молекулы веществ распадаются благодаря разрыву ионных либо полярных ковалентных связей. Количество носителей заряда в электролите определяют концентрация и температура. Кроме того, степень распада молекул зависит от природы электролита. В результате они делятся на две группы:

• слабые — не подвержены распаду либо этот процесс протекает крайне медленно;

• сильные — в таких электролитах наблюдается быстрое расщепление молекул на ионы.

К первой группе принадлежит большая часть органических веществ — нерастворимые основания, слабые кислоты и плохо растворимые соли. Сильными электролитами являются щелочи, сильные кислоты и хорошо растворимые соли.

Электролитическая диссоциация

Это основополагающий процесс для появления электротока в растворах, поэтому его необходимо рассмотреть более подробно. Все ионы, образующиеся при распаде молекул, можно разделить на 2 типа:

Диссоциация веществ с ковалентной полярной связью на примере HCl

1. Анионы. Имеют отрицательный заряд.

2. Катионы. Обладают положительным зарядом.

Большинство свойств воды обусловлено полярностью молекул вещества. Говоря иначе, с точки зрения электротехники они являются диполями. Здесь следует вспомнить определение диполи — это система двух частиц, расположенных близко друг к другу. При этом их заряды противоположны по знаку, но одинаковы по модулю. Свойство полярности H₂O объясняется геометрическим строением молекул вещества:

• угол между центральными линиями атомов равен примерно 104,5 градуса;

• электроны смещены в направлении кислорода.

Являясь диполями, молекулы воды способны создавать вокруг себя электрополе, которое воздействует не только на них, но и на частицы растворенного вещества.

Чтобы установить, какова природа процесса распада молекул на ионы, следует рассмотреть раствор поваренной соли. На внешней орбите атома натрия расположен лишь 1 электрон. Его связь с атомом слаба, поэтому он способен быстро уйти со своего места. У атома хлора на внешней орбите находится уже 7 электронов и до комплекта не хватает одной частицы. Благодаря этому при образовании кристалла NaCl внешний электрон натрия присоединяется к атому хлора. В итоге образуется диполь.

Взаимодействие двух видов диполей и способствуют активизации процесса растворения. Если в раствор электролита поместить 2 электрода — катод (отрицательный) и анод (положительный), то свободные ионы устремятся к ним. При этом направление их движения протекает по конкретным правилам:

• катионы направятся к катоду;

• анионы начинают двигаться в направлении анода.

Как только переносчики электротока достигают электродов, они теряют свой заряд, превращаясь в нейтральные, и оседают на поверхности электродов.

Законы Фарадея

Процесс электролиза экспериментально изучил английский физик и химик Майкл Фарадей в 1833 году. Он сформулировал закон, согласно которому масса выделившегося на электроде вещества прямо пропорциональна прошедшему через электролит заряду. Этот закон закрепился в науке как первый закон Фарадея.

m = kQ = kIt

где:

m – масса вещества;

Q – заряд;

k – электрохимический эквивалент;

I – сила тока;

t – время действия тока.

Согласно второму закону Фарадея, масса выделившегося на электроды вещества прямо пропорциональна отношению молярной массы к валентности и равна электрохимическому эквиваленту.

m = k = M/z

где:

m – масса выделившегося вещества;

k – электрохимический эквивалент;

M – молярная масса;

z – валентность вещества.

Электролиз используется в щелочных и кислотных аккумуляторах. С помощью электролиза можно защитить изделие металлическим покрытием.

1. Эксперимент

Оборудование:LED-лампа, две батарейки 1.5 Вт, провод двухжильный, 2 металлических болта, банка с дистиллированной водой, банка с раствором соли (NaCl).

Цель: проверка проводимость электрического тока в дистиллированной (холодной, тёплой, горячей) воде, слабо насыщенном растворе NaCl (холодном, тёплом, горячем), насыщенном растворе NaCl (холодном, тёплом, горячем).

Ход работы

Электролиты — это водные растворы солей, кислот или щелочей в воде. Чистая дистиллированная вода - изолятор, но когда в ней растворяют указанные соединения, то молекулы этих соединений распадаются или, как говорят, диссоциируют на ионы, положительно и отрицательно заряженные. Возникает электролит, в котором имеются носители зарядов - ионы. Поэтому электролит проводит электрический ток.

Удельная электропроводность растворов электролитовс увеличением температуры возрастает, что вызвано увеличением скорости движения ионов за счет понижения вязкости раствора и уменьшения сольватированности ионов.

Я проиллюстрирую сказанное на следующем опыте. В банку налита дистиллированная холодная (Рис. 2), тёплая (Рис. 3) и горячая (Рис. 4) вода и опущены два металлических электрода. Электроды подсоединены к источнику 1.5 Вт, и последовательно в эту цепь включена led-лампа. Лампа горит, поскольку дистиллированная вода является изолятором. Рис. 1, Рис. 2, Рис. 3, Рис. 4.

Добавим в воду небольшое количество поваренной соли и размешаем соль в воде. Мы видим, что лампочка не горит. Молекулы поваренной соли NaCl распались в воде на ионы натрия, положительно заряженные, и на отрицательно заряженные ионы хлора. Положительно заряженные ионы натрия движутся к электроду, на который подан отрицательный потенциал, к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора движутся к аноду.

Е сли добавить соли в воду, то количество ионов возрастает, концентрация ионов возрастает, и проводимость электролита увеличивается, а сопротивление раствора уменьшается - лампочка не горит. Рис. 5, Рис. 6, Рис. 7, Рис. 8.

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3 Рис. 4

Рис. 5 Рис. 6 Рис. 7 Рис. 8

1. Опрос среди учащихся

Для проверки знаний учащихся был проведён опрос про электролиз и закон Фарадея.

Знаете ли вы "Что называется электролизом?"

1. Да

2. Частично

3. Нет

Знаете ли вы "В чем состоит закон Фарадея для электролиза?

1. Да

2. Частично

3. Нет

Знаете ли " Что такое катионы?" и "Что такое анионы?"

1. Да

2. Частично

3. Нет

Е сли Вы на большинство вопросов ответили "Частично" и/или "Нет". Хотели бы понять эту тему?

1. Да

2. Частично

3. Я всё знаю

1. Заключение

Целью работы было доказать, что электролиты проводят электрический ток.В результате проделанного опыта (Проведение электрического тока в электролите). Был сделан вывод, что проводимость электрического тока в электролитах зависит от

• плотности жидкости

• температуры

Важной отраслью применения электролиза является защита металлов от коррозии: при этом электрохимическим методом на поверхность металлических изделий наносится тонкий слой другого металла (хрома, серебра, меди, никеля, золота) устойчивого к коррозии.

Отличительной особенностью электролиза растворов или расплавов электролитов является возможность протекания на электродах совокупности конкурирующих химических реакций окисления и восстановления. Оказывает влияние на продукты электролиза и материал электродов.

При электролизе водных растворов электролитов окислительно-восстановительные процессы на катоде и аноде зависят от окислительной способности катионов и характера аниона электролита. Проведённые опыты способствовали формированию у учащихся 9-х классов познавательного интереса в изучении предмета физика.

5. Список использованных источников

1. Физика. Справочник: 7-9 классы. ФГОС / О. И. Громцева.: Издательство «Экзамен», 2022.

2. Физика / И. А. Попова. – Москва (Наглядный школьный курс: удобно и понятно): Эксмо, 2021.

3. Физика. 9 класс: учеб. для общеобразоват. организаций / О. Ф. Кабардин. М.: Просвещение, 2014

4. Яндекс. Картинки

5. Интернет-ресурсы

https://obrazovaka.ru/himiya/elektricheskiy-tok-v-elektrolitah-nositeli-zaryada.html

https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/postojannyj-elektricheskij-tok/elektricheskij-tok-v-elektrolitah/

https://foxford.ru/wiki/himiya/elektroliz-rastvorov-i-rasplavov

https://nauka.club/fizika/elektricheskiy-tok-v-elektrolitakh.html

1. Физика.10 класс: Мякишев Г. Я., Б. Б. Буховцев.: Москва, 2014

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/528963-nauchno-issledovatelskaja-rabota-po-fizike-je