Порядок выполнения упражнения и обработка результатов измерений

1. Собрать измерительную цепь (рис.1). Проверить надежность всех контактов.

2. Приготовить сосуд Дьюара со смесью льда с дистиллированной водой и колбу с кипящей дистиллированной водой.

3. Поместить оба спая в сосуд Дьюара с тающим льдом и определить значение ε.

4. Один из спаев А оставить в сосуде Дьюара с тающим льдом, а второй В поместить в колбу с кипящей водой и вновь измерить ε.

5. По полученным значениям построить градуировочную зависимость ε от разности температур спаев. Определить прямые погрешности измерений.

6. Приготовить сосуд с дистиллированной водой, находящийся при комнатной температуре. Второй спай В поместить в этот сосуд и измерить значение ε. По градуировочной зависимости определить температуру воды. Сравнить полученное значение с показаниями термометра, помещенного в эту воду. Сделать вывод.

7. Определить значение постоянной термопары k. Сравнить с табличным значением.

Упражнение 3: определить температуру плавления сплава Вуда с помощью термопары.

 

Чтобы убедиться в том, что термопара проградуирована правильно, ее проверяют по температуре плавления известного вещества (сплав Вуда t_пл = 47 °C ).

 

Описание экспериментальной установки

 

В схему экспериментальной установки, кроме дифференциальной термопары и милливольтметра (рис.1), входит электрическая печь с отверстием в крышке, фарфоровый тигель с веществом и секундомер, определяющий время τ охлаждения и нагревания вещества

 

Порядок выполнения упражнения и обработка результатов измерений

1. Зарисовать таблицу 1.

 

Таблица 1

Охлаждение	Нагревание
№	τ, с	ε, мВ	t, 0C	№	τ, с	ε, мВ	t, 0C

 

2. Поместить в электрическую печь фарфоровый тигель с веществом. Второй спай В термопары располагается в отверстии крышки печи таким образом, чтобы он мог погрузиться в расплавленное вещество, не касаясь дна и стенок тигеля.

3. Включить печь. Убедившись в том, что вещество расплавилось и конец термопары в него погружен, печь выключают.

4. При охлаждении печи через каждые 10с определяют значения ε до тех пор, пока сплав не затвердеет.

5. С помощью градуировочного графика, полученного в упражнении 2, определяют соответствующую этим значениям температуру t сплава. Полученные данные заносят в таблицу1.

6. Включают печь. При нагревании печи через каждые 10с определяют значение ε до тех пор, пока вещество не расплавится. С помощью градуировочного графика, определяют соответствующую этим значениям температуру. Полученные данные заносят в таблицу 1.

7. Печь выключают и вынимают из нее спай термопары.

8. На основании полученных результатов, строят график зависимости температуры сплава t от времени охлаждения и нагревания τ, в случае охлаждения и нагревания.

9. Анализируя полученную зависимость, определяют значение температуры плавления (кристаллизации) сплава Вуда.

10. Находят погрешность результата и сравнивают его с табличным значением.

11. Делают вывод о правильности градуировки термопары.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое термопара?

2. Физический смысл константы С?

3. Рассказать о методике изготовления термопары.

4. Что называется дифференциальной термопарой?

5. Как производиться градуировка с датчика температуры на основе термопары?

6. Как можно проверить градуировку датчика температуры?

Лабораторная работа № 12

 

Измерение электрической проводимости водных растворов электролитов

Цель работы: ознакомление с классическим методом измерения электрической проводимости раствора электролита; определение удельной электрической проводимости чистой воды, водных растворов поваренной соли и хлористого калия различнойконцентрации; определение силы электролита.

 

Введение

 

Жидкое состояние, занимая промежуточное положение между газами и кристаллами, сочетает в себе некоторые черты обоих состояний. В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближний порядок. Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших к ней соседей является упорядоченным. Однако по мере удаления от данной частице расположение по отношению к ней других частиц становится все менее упорядоченным, и довольно быстро порядок в расположении частиц полностью исчезает. Промежуточным положением жидкостей обусловлено и то обстоятельство, что жидкое состояние оказывается особенно сложным по своим свойствам. До сих пор нет вполне законченной и общепризнанной теории жидкостей.

Молекулы являются нейтральными частицами, поэтому жидкости не должны проводить электрический ток. Но известно, что даже самая чистая, дегазированная вода вследствие очень слабой ее диссоциации на ионы Н⁺ и ОН^- имеет электрическую проводимость. Хорошо проводят электрический ток растворы электролитов.

Растворами называются, состоящие из двух или нескольких веществ, гомогенные системы, состав которых может изменяться в довольно широких пределах. Процесс растворения нельзя рассматривать как простое механическое распределение одного вещества в другом. При растворении имеет место физико-химическое взаимодействие растворяемого вещества с молекулами растворителя. Механизм растворения твердых тел в жидкости состоит в основном из трех стадий.

Рассмотрим растворение кристалла хлорида натрия, который состоит из электростатически связанных ионов натрия и хлора. При погружении кристалла в воду полярные молекулы Н₂О ориентированы таким образом, что к иону N_а⁺ они обращены своими отрицательными полюсами, а к иону Cl^- - положительными. Происходит явление гидротации. В результате межионная связь N_а⁺ - Cl^- разрывается и образуются ионы N_а⁺, Cl^-. На второй стадии растворения происходит гидротация этих ионов. Третья стадия растворения – это самопроизвольный процесс диффузии гидротированных ионов по всему объему растворителя.

Растворы, проводящие электрический ток, называются электролитами. В растворах электролитов перенос электричества осуществляется за счет перемещения ионов. В электролитах не все молекулы растворяемого вещества диссоциируют на ионы. В состоянии равновесия доля молекул, распавшихся на ионы характеризуется степенью электролитической диссоциации и обозначается через a. Степень электролитической диссоциации равна отношению числа молекул n, распавшихся на ионы, к общему числу растворенных молекул N:

По способности к диссоциации электролиты делятся на три группы:

1) сильные электролиты - a>30%;

2) средние электролиты - a= 5¸30%;

3) слабые электролиты - a< 5%.

Примерами сильных электролитов в водных растворах могут служить некоторые неорганические основания (NaOH) и кислоты (HCl,HNO₃), а также большинство неорганических и органических солей. К слабым электролитам в водных растворах относятся почти все органические кислоты и основания (CH₃COOH, пиридин) и некоторые неорганические соединения.

Электрическая проводимость растворов электролитов, т.е. способность их проводить электрический ток, зависит от природы электролита и растворителя, концентрации, температуры и других факторов. Различают удельную и молярную электрическую проводимости.

Удельная электрическая проводимость электролита является величиной, обратной его удельному сопротивлению r:

 

,

а удельное сопротивление определяется из уравнения:

где R – электрическое сопротивление участка электролита, ℓ- длина этого участка, а S – площадь его поперечного сечения (рис.1). S = hd, где d – диаметр электрода, h – длина электрода.

 

d   h     ℓ Рис.1

 

У тщательно очищенной воды, хранящейся в кварцевой или серебрянной посуде без доступа CO₂, при 18⁰C удельная электрическая проводимость равна c = 4, 4×10^-8 Ом^-1 см^-1. В обычной дистиллированной лабораторной воде в результате растворения в ней двуокиси углерода и выщелачивания стекла c = 1× 10^-6 Ом^-1 см^-1.

Молярная электрическая проводимость L равна электрической проводимости объема раствора электролита, содержащего 1г/моль растворенного вещества и находящегося между двумя параллельными электродами, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга.

Удельная и молярная проводимости связаны между собой следующим соотношением:

L = ,

где С_m – концентрация раствора, выраженная в моль/м³.

Молярная электрическая проводимость зависит от двух факторов: от степени диссоциации электролита и от электрического взаимодействия между ионами. С увеличением концентрации электролита в растворе уменьшается степень диссоциации и увеличивается электростатическое взаимодействие между ионами. Это приводит к уменьшению молярной электрической проводимости. Для растворов слабых электролитов молярная электрическая проводимость изменяется с концентрацией электролита из-за изменения степени диссоциации и с увеличением концентрации резко падает.

В растворах сильных электролитов изменение молярной электрической проводимости с концентрацией обусловлено влиянием электрического взаимодействия ионов на скорость их движение (коэффициент электрической проводимости). Молярная электрическая проводимость сильных электролитов сравнительно медленно уменьшается с концентрацией.

В разбавленных растворах удельная электрическая проводимость сильных электролитов увеличивается почти пропорционально концентрации.

 

 

Упражнение 1. Определение электропроводности дистиллированной воды