Номер 3, страница 246 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 7. Электрический ток. Параграф 59. Работа электрического тока. Закон Джоуля—Ленца. Темы докладов и проектов - номер 3, страница 246.

Условие.

3. Исследование электрической проводимости электролита.

Решение.

Механизм электрической проводимости электролитов

Электролиты — это вещества (соли, кислоты, основания), которые при растворении или расплавлении распадаются на ионы — положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией. Именно наличие этих свободных ионов и обуславливает способность растворов и расплавов электролитов проводить электрический ток. В отличие от металлов, где носителями заряда являются электроны (электронная проводимость), в электролитах ток представляет собой упорядоченное движение ионов (ионная проводимость).

При помещении двух электродов в раствор электролита и приложении к ним разности потенциалов (напряжения) возникает электрическое поле. Под действием этого поля ионы начинают двигаться направленно: катионы (положительные ионы) движутся к отрицательному электроду (катоду), а анионы (отрицательные ионы) — к положительному электроду (аноду). Это направленное движение заряженных частиц и есть электрический ток в электролите. На электродах происходят окислительно-восстановительные реакции (электролиз), в результате которых ионная проводимость в растворе переходит в электронную во внешней цепи.

Ответ: Электрическая проводимость электролитов обусловлена направленным движением свободных ионов (катионов и анионов), образующихся в результате электролитической диссоциации, под действием внешнего электрического поля.

Основные факторы, влияющие на проводимость

Электрическая проводимость электролита зависит от нескольких ключевых факторов, которые влияют на количество носителей заряда и их подвижность.

Природа электролита

Электролиты делятся на сильные и слабые. Сильные электролиты (например, $NaCl$, $HCl$, $KOH$) в растворах практически полностью диссоциируют на ионы. Слабые электролиты (например, уксусная кислота $CH_3COOH$, гидроксид аммония $NH_4OH$) диссоциируют лишь частично. Степень диссоциации ($ \alpha $) у них мала. Соответственно, при одинаковой концентрации раствор сильного электролита содержит гораздо больше ионов и обладает значительно более высокой проводимостью, чем раствор слабого электролита.

Концентрация раствора

Зависимость проводимости от концентрации является сложной. Различают удельную и молярную электропроводность.

• Удельная электропроводность ($ \kappa $) — это проводимость единицы объема раствора (например, 1 $м^3$). С ростом концентрации число ионов в единице объема увеличивается, поэтому удельная проводимость сначала растет. Однако при очень высоких концентрациях ионы сближаются настолько, что силы межионного взаимодействия начинают тормозить их движение, из-за чего рост $ \kappa $ замедляется или даже сменяется падением.

• Молярная электропроводность ($ \Lambda_m $) — это проводимость раствора, содержащего 1 моль электролита. Она связана с удельной проводимостью и концентрацией ($\text{C}$) формулой $ \Lambda_m = \kappa / C $. С ростом концентрации молярная электропроводность всегда уменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении концентрации усиливается электростатическое взаимодействие между ионами, что снижает их подвижность. Для слабых электролитов также уменьшается степень диссоциации.

Температура

Как правило, с повышением температуры электропроводность растворов электролитов увеличивается. Это связано с тремя основными причинами:
1. Увеличивается кинетическая энергия ионов, что приводит к росту их скорости и подвижности.
2. Уменьшается вязкость растворителя, что снижает силу сопротивления движению ионов.
3. Для слабых электролитов увеличивается степень диссоциации.

Природа растворителя

Свойства растворителя, такие как вязкость и диэлектрическая проницаемость, существенно влияют на проводимость. Растворитель с низкой вязкостью (например, вода) оказывает меньшее сопротивление движению ионов. Растворитель с высокой диэлектрической проницаемостью (опять же, вода) ослабляет силы притяжения между ионами, способствуя диссоциации электролита.

Ответ: Проводимость электролита зависит от его природы (сильный/слабый), концентрации (удельная проводимость растет, а молярная падает с ростом концентрации), температуры (растет с повышением) и свойств растворителя (вязкости и диэлектрической проницаемости).

Экспериментальное исследование проводимости

Измерение электрической проводимости растворов называется кондуктометрией. Для этого используется специальный прибор — кондуктометр.

Установка для измерения

Основными элементами установки являются:
1. Кондуктометрическая ячейка: сосуд с двумя платиновыми электродами, имеющими строго определенную геометрию (площадь $\text{S}$ и расстояние между ними $\text{l}$). Для уменьшения эффектов поляризации электроды часто покрывают платиновой чернью.
2. Источник переменного тока: для измерений используется переменный ток (обычно с частотой 1-3 кГц), чтобы избежать электролиза и поляризации электродов, которые исказили бы результаты при использовании постоянного тока.
3. Измерительная схема: ранее использовали мост Уитстона для измерения сопротивления, современные цифровые кондуктометры измеряют сопротивление или проводимость напрямую.

Процесс измерения и расчеты

В ходе эксперимента измеряют электрическое сопротивление ($\text{R}$) раствора, находящегося в ячейке. Затем вычисляют необходимые величины.

1. Проводимость (электропроводность) $\text{G}$: это величина, обратная сопротивлению. $ G = \frac{1}{R} $
Единица измерения — сименс (См).

2. Удельная электропроводность $ \kappa $: она характеризует свойство самого вещества и не зависит от геометрии ячейки. Для ее расчета используется постоянная ячейки $ K_{cell} $, которая определяется отношением расстояния между электродами к их площади ($ K_{cell} = l/S $). $ \kappa = G \cdot K_{cell} = \frac{K_{cell}}{R} $
Постоянную ячейки обычно определяют заранее, измеряя сопротивление стандартного раствора с известной удельной электропроводностью (например, раствора $KCl$).

3. Молярная электропроводность $ \Lambda_m $: рассчитывается, если известна молярная концентрация ($\text{C}$) электролита. $ \Lambda_m = \frac{\kappa}{C} $
Эта величина позволяет сравнивать проводимость разных электролитов при одинаковой молярной концентрации.

Ответ: Экспериментально проводимость электролита исследуют методом кондуктометрии, измеряя сопротивление раствора переменному току в специальной ячейке с известной постоянной, и на основе этого рассчитывают удельную и молярную электропроводность.