Інформація для викладачів
Опис
Дослідження рухливості іонів при прикладанні постійної напруги
Електричні провідники часто використовуються для проходження електричного струму. Щоб запобігти небезпеці для людини, їх часто оточують непровідниками.
Електропровідність залежить від наявності вільно рухомих носіїв заряду (наприклад, іонів). Хоча тверді солі не є електропровідними, розчин солі проводить електричний струм.
Такі речовини, як розчинені солі або кислоти, складаються із заряджених частинок (йонів), що рухаються в електричному полі. Цей експеримент дає змогу побачити переміщення йонів в електричному полі.
Додаткова інформація для викладачів (1/2)
Попередні знання
Принцип
- В залежності від електропровідності речовини або матеріали поділяються на провідники та непровідники (ізолятори).
- Ступінь складності виконання експерименту може варіюватися залежно від попередніх знань учнів.
- Учні спостерігають за рухом двигуна, який створює замкнутий контур. Таким чином, вони розуміють, що підключений до електричного кола досліджуваний матеріал проводить електричний струм.
- Завдяки різним зарядам іонів гідронію та гідроксиду іони рухаються до катода та анода відповідно. Це ілюструється зміною кольору pH-паперу.
Додаткова інформація для викладачів (2/2)
Мета навчання
- Кислоти та луги складаються з іонів. Коли подається напруга, іони гідронію рухаються до катода, а іони гідроксиду - до анода.
- Учні зазвичай знають, що метали проводять електричний струм. У цьому експерименті вони також дізнаються, що існують неметалеві речовини, які, тим не менш, проводять електричний струм.
Завдання
- Перевірте, як поводяться кислоти та луги під дією постійної напруги.
- Два електроди, на кожен з яких покладено шматочок індикаторного pH-паперу, під'єднані до батареї. Через п'ять хвилин рН-папір досліджують.
- Учні оцінюють результати спостережень і визначають напрямок міграції йонів. Учні отримують базові знання про різний заряд йонів кислот і основ і, нарешті, визначають причину різної швидкості міграції йонів.
Інструкції з техніки безпеки (1/3)
- Кислоти викликають сильні опіки.
- Використовуйте захисні окуляри/рукавички!
- У разі потрапляння на шкіру уражену ділянку необхідно негайно промити водою!
Інструкції з техніки безпеки (2/3)
- Нітрат калію має сильну окислювальну і, отже, прискорюючу пожежу дію!
- Зверніть увагу на те, що після подачі постійної напруги не можна торкатися до приладу!
- До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів на уроках з природничих наук.
- Правила роботи з небезпечними речовинами наведено у відповідних паспортах безпеки.
Утилізація:
- Залишки розчину нітрату калію, кислот і лугів можна використовувати повторно для проведення аналогічних експериментів. В іншому випадку утилізуйте в контейнер для збору кислот і лугів.
Інструкції з техніки безпеки (3/3)
- Замість двигуна в експериментальній установці також можна використовувати мультиметр.
- Двигун у схемі використовується для обмеження сили струму для твердих речовин, а також для того, щоб легко визначити, чи тече струм, чи ні. Важливо лише розпізнати, чи проводить речовина струм, чи ні.
- Завдяки відносно невеликій довжині і великому діаметру досліджуваних "провідників", значення сили струму не відхиляються одне від одного при дослідженні струмопровідних речовин.
- Використання батареї означає, що експериментальна установка не становить небезпеки ураження електричним струмом.
Інформація для учнів
Мотивація
Перенесення заряду в електричних колах
Речовини, в яких вільно рухаються носії заряду (іони, електрони), проводять електричний струм. Тому солі в розчиненому вигляді та у вигляді розплаву проводять електричний струм. Переміщення зарядів лежить в основі будь-якого електричного кола.
Рух цих вільних носіїв заряду невидимий для нас (без допоміжних засобів). Тому завжди існує " прагнення до пізнання", щоб зробити цей рух видимим.
Протони, які відокремлюються від кислот, також є вільно рухомими носіями заряду. Протони можна зробити видимими за допомогою індикаторів (рН-паперу), що і показано в цьому експерименті.
Завдання
- Дослідіть електропровідність твердих речовин (наприклад, кухонної солі та цукру) або розчинів цих речовин.
- Дослідіть індикаторний папірець з однією краплею кислоти та однією краплею лугу після того, як його на п'ять хвилин під'єднали до джерела постійного струму.
- Сформулюйте висновок зі своїх спостережень. Насамкінець поміркуйте, чому міграція йонів на двох індикаторних папірцях відбувалася з різною швидкістю.
Визначте напрямок руху іонів
Питання
Матеріал
Підготовка - Електропровідність
Експериментальна установка
- Підключіть батарейку та двигун, як показано на рисунку ліворуч.
- Помістіть на кожен з двох вільних провідників (які не під'єднані до акумулятора або двигуна) затискач типу "крокодил".
- Тепер покладіть ці два затискачі в мензурку або ванночку. Дотримуйтесь інструкцій вчителя: вчитель вирішує, чи потрібно прикріплювати металеві пластини до затискачів типу "крокодил".
- Під час проведення експерименту або його модифікації завжди слідкуйте за тим, щоб електричне коло не було замкнутим. Для цього слід від'єднати одну клему від батарейки.
Виконання роботи (1/2) - Електропровідність
Рис. 1
- Вийміть затискач типу "крокодил" з мензурки.
- Шпателем для сипучих матеріалів засипаємо сіль у мензурку до позначки 50 мл (рис. 1).
- Занурте затискачі типу "крокодил" або металеві пластинки з провідниками в сіль, як показано на рис. 2.
Рис. 2
- Підключіть затискач до батареї (електричне коло повинно бути замкнене). Тепер подивіться на показання напруги на мультиметрі.
- Від'єднайте один затискач від батареї. Повністю висипте кухонну сіль з мензурки.
- Повторіть вимірювання з цукром.
Виконання роботи (2/2) - Електропровідність
Рис. 1
- Наповніть порожню склянку дистильованою водою до позначки 50 мл. Занурте у воду затискачі типу "крокодил" та підключіть їх до батареї. Тепер, коли електричне коло замкнене, спостерігайте за показаннями мультиметра.
- Зніміть затискач типу "крокодил" з акумулятора.
- Додайте одну чайну ложку солі в склянку, наповнену дистильованою водою. Перемішайте воду паличкою так, щоб сіль розчинилася і її не було видно.
- Тепер підключіть затискач типу "крокодил" до батареї. Тепер, коли електричне коло замкнене, спостерігайте за показаннями мультиметра.
- Знову зніміть затискач типу "крокодил" з акумулятора.
Рис. 2
Підготовка (1/3) - Міграція іонів
- Вставте два мідні електроди в рифлену ванночку на відстані двох-трьох пазів від краю (рис. 3).
- Закріпіть затискачі типу "крокодил" з прикріпленими з'єднувальними провідниками посередині мідних електродів (рис. 4 + 5).
- Насамкінець перевірте, чи правильно вставлені та підключені електроди!
Рис. 3
Рис. 5
Рис. 4
Рис. 6
Підготовка (2/3) - Міграція іонів
Підготовка (1/3) - Міграція іонів
- Олівцем чітко позначте центр двох універсальних індикаторних смужок (рис. 7).
- Потім занурте їх у розчин нітрату калію (рис. 8).
- Висушіть смужки між двома фільтрувальними паперами після того, як вони добре намокнуть (рис. 10).
Рис. 7
Рис. 8
Рис. 9
Рис. 10
Підготовка (3/3) - Міграція іонів
- Підвісьте смужки над двома мідними електродами так, щоб між ними було провідне з'єднання (рис. 11).
- Смужки не повинні торкатися або провисати. Міцно притисніть їх до мідного листа, щоб вони не могли зісковзнути.
- Нарешті, переконайтеся, що Ви правильно виконали всі кроки! Неточності в експериментальній установці можуть призвести до неточних або незрозумілих результатів експерименту!
Рис. 11
Виконання роботи (1/2) - Міграція іонів
Рис. 12
Рис. 13
- Однією з піпеток наберіть трохи розведеної соляної кислоти.
- Нанесіть краплю на позначену середину однієї універсальної індикаторної смужки (рис. 12).
- Другою піпеткою додайте краплю розведеного розчину натрій гідроксиду на позначку на другій універсальній індикаторній смужці (рис. 13).
Виконання роботи (2/2) - Міграція іонів
- Підключіть мідні електроди до батареї за допомогою з'єднувальних провідників і затискачів типу "крокодил" (рис. зліва).
- Через 5 хвилин завершіть експеримент, від'єднавши батарею.
- Зніміть пінцетом смужки індикаторного паперу та дослідіть їх на наявність зміни кольору.
Протокол
Завдання 1
Запишіть свої спостереження.
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Чому солона вода електропровідна? Тверда сіль ____ електричний струм, оскільки в ній немає рухомих носіїв заряду. Якщо тепер розчинити сіль у воді, утворюються ____ і негативно заряджені іони, які потім можуть проводити електричний струм к вільно рухомі ____. Якщо розчинити кухонну сіль (____) у воді, утворюються позитивно заряджені іони натрію і негативно заряджені іони хлору. Тепер ці іони можуть ____ пересуватися у воді, тому солона вода є ____.
Завдання 4
Міграція іонів в індикаторному папері рН з кислотами та основами. Оскільки колір індикаторного паперу постійно змінюється, кислоти і луги повинні складатися із ____. Оскільки червоне забарвлення універсального індикаторного паперу зумовлене ____, вони повинні бути ____ зарядженими, оскільки мігрують до ____. І навпаки, ____ повинні бути ____ заряджені, оскільки вони мігрують до ____.
Завдання 5
Питання