Текст книги "Изучение электрических характеристик водных растворов электролитов. Полный отчет о проведенном исследовании"

Изучение электрических характеристик водных растворов электролитов
Полный отчет о проведенном исследовании
Амир Салаватович Атигаев

Редактор Ольга Анатольевна Антипова

Редактор Дина Рафкатовна Сайфуллина

Корректор Ольга Петровна Шокалова

Переводчик Алина Анатольевна Гобузова

© Амир Салаватович Атигаев, 2017

© Алина Анатольевна Гобузова, перевод, 2017

ISBN 978-5-4490-1421-4

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Полный текст исследования

Введение

Физика, как наука, многогранна. Она объединяет в себе такие важнейшие разделы как: механика, термодинамика, электродинамика, электростатика, магнетизм, молекулярно-кинетическая теория, сопротивление материалов, астрофизика и многие другие. Также, она, сочетаясь с другими фундаментальными науками, образует смежные области. Это, например: биофизика, биохимия, физическая химия. Последняя, заинтересовала нас более всего, а именно, ее подраздел, электрохимия.

Электрохимия – раздел физической химии, занимающийся изучением взаимных превращений электрической и химической энергии. Помимо работы гальванических элементов и процесса электролиза, она рассматривает электропроводность растворов.

Гипотеза работы звучит так: «Если верно утверждение, что растворы электролитов в воде при различных условиях проводят ток по разному, то на их основе возможно создать полноценный электрический прибор, элемент электрических цепей».

Цель работы – создать и проверить на предмет пригодности в различных областях электро– и радиотехники, ЖР.

Задачи:

Провести теоретический анализ источников информации;

Создать экспериментальную модель ЖР;

Создать РП ЖР;

Изучить пригодность ЖР к применению в радиотехнике.

Объект исследования: Резисторы, приборы для измерения частоты переменного тока.

Предмет исследования: Электрические проводники второго рода.

Методы исследования: Теоретический анализ источников, эксперимент.

Глава I. Литературный обзор

С точки зрения классической электродинамики, все вещества делятся на три группы: диэлектрики, полупроводники и проводники. В последних, неизбежно появляется ток проводимости, при возникновении на их концах разности потенциалов. Под током проводимости понимают явление направленного, упорядоченного движения заряженных частиц. В зависимости их природы, проводник может быть проводником первого или второго рода.

В проводниках первого рода перенос заряда осуществляется за счет движения электронов. Это, главным образом, металлы и их сплавы.

Проводники второго рода характеризуются тем, что носителями заряда в них являются ионы. К ним относятся все растворы и расплавы электролитов.

Способность вещества (в т. ч. РЭ) проводить электрический ток количественно характеризуется величиной его электропроводности, которая обратна его электрическому сопротивлению.

 
L=1/R (1)
 

Как и для металлических проводников, для РЭ, справедлива формула:

 
R=ρ l/S (2)
 

где ρ – удельное электрическое сопротивление, зависящее от природы электролита, его концентрации в растворе, температуры раствора; l – расстояние между опущенными в однородный РЭ электродами; S – площадь поверхности электрода, помещенной в РЭ.

Исходя из (1) и (2), можно утверждать что, величина обратная ρ – удельная электропроводность κ может быть вычислена из равенства:

 
κ=1/ρ=L l/S (3)
 

Известно, что отношение l/S для каждого отдельного сосуда, в котором происходит измерение, является константой и различно для разных сосудов [1].

Несмотря на тот факт, что в большинстве случаев, РЭ описываются только величинами, вычисляемыми по формулам (1), (2) и (3), научный интерес представляет вычисление прочих характеристик РЭ, или нахождение законов по которым они изменяют свои значения для разных РЭ в зависимости от концентрации и температуры. Это, например, зависимость κ от температуры, температурный коэффициент удельного сопротивления, если таковой может существовать у РЭ.

В работе [2] говорится что, РЭ обладают также и диэлектрическими свойствами, она посвящена выведению формул для вычисления таких величин как, динамический коэффициент диэлектрической проницаемости ε₁ (ω) и динамический коэффициент диэлектрических потерь ε₂ (ω). Их численные значения являются, соответственно действительной и мнимой частями комплексного значения коэффициента диэлектрической проницаемости ε (ω):

 
ε (ω) = ε₁ (ω) + iε₂ (ω) (4)
 

где, ω – угловая частота электрического тока, протекающего через РЭ. Из (4) видно, что коэффициент диэлектрической проницаемости РЭ зависит от частоты тока. ε (ω) для РЭ имеет, по мнению авторов, комплексное числовое значение в том случае, если электрическое поле E (t), действующее на него, изменяется периодически со временем. Также приводится формула:

 
ε (ω) = ε_∞ + iκ (ω) / (ε₀ω) (5)
 

где, ε_∞ – значение коэффициента диэлектрической проницаемости РЭ при высоких частотах тока, κ (ω) – значение удельной электропроводности РЭ при определенной частоте ω. По математическому свойству комплексных чисел, (4) и (5) можно преобразовать в равенства:

 
ε₁ (ω) = ε_∞ (6)
ε₂ (ω) = (κ (ω)) / (ε₀ ω) (7)
 

Из (7) следует, что экспериментально получив значение κ (ω) и ω, зная константу ε₀, можно поучить значение динамического коэффициента диэлектрических потерь.

Формула (6) справедлива, как отмечают авторы, только при высокой частоте переменного тока, проходящего через РЭ.

В книге [3] показано на примере концентрированного раствора NaCl в воде, что диэлектрические параметры РЭ можно описать и с помощью т. н. релаксационной модели Коула. Такое представление диэлектрических параметров, несомненно, представляет огромный научный и практический интерес, однако оно довольно сложно и его использование в настоящей работе необоснованно.

В статье [4] показано, что диэлектрические характеристики РЭ можно описать гораздо более простыми математическими выражениями, кроме того, связать их с эквивалентной и удельной проводимостью. Например, выведена формула описывающая соотношение удельной электропроводности РЭ, его коэффициента диэлектрической проницаемости, вязкости растворителя и его температуры:

 
λη/εT=K=const
 

Физический смысл коэффициента К описать, по мнению авторов, невозможно, его численное значение выводится экспериментально для каждого отдельного РЭ. Кроме того, приводится выражение, позволяющее вычислить удельную электропроводность растворов электролитов в полярных растворителях при высоких частотах:

 
κ_∞= (ε₀ ε) / τ
 

где, τ – время дипольной диэлектрической релаксации, которое можно вывести из уравнения Дебая:

 
τ = (4πa^3 η) / kT (8)
 

Соответственно, легко выводится формула:

 
κ_∞= (ε₀ εkT) / (4πa^3 η) (9)
 

Здесь а – средний диаметр молекул системы. В случае РЭ, логично предположить, что можно использовать формулу:

 
a = X_j1 a₁ + X_j2 a₂ (10)
 

где, X_j1 и X_j2 – соответственно, мольные доли электролита и растворителя в РЭ; а₁ и а₂ – соответственно, диаметры молекул электролита и растворителя в РЭ.

Следует отметить, что удельная электропроводность РЭ зависит от многих условий. Она может меняться в зависимости от температуры раствора, растворителя, электролита и других факторов, среди которых и частота приложенного к РЭ переменного напряжения. Удельная электропроводность РЭ увеличивается с увеличением частоты протекающего через него переменного тока [5]. Такое явление называется эффектом Дебая – Фалькенгагена или дисперсией электропроводности.

В работе часто упоминалось выражение «высокие частоты», при которых удельная электропроводность и коэффициент диэлектрической проницаемости принимают предельные значения. Согласно [6], такими частотами для разных РЭ могут быть частоты, удовлетворяющие неравенству:

 
ω> 2π/τ (11)
 

где, τ выводится из (8), ω – циклическая частота, вычисляется из равенства ω=2πf, f – частота переменного тока.

Согласно ГОСТ 19880—74, резистор – элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрического сопротивления. [7] дает определение их видов, [8] описывает максимально возможные отклонения номинального сопротивления резисторов от действительного.

Проведя теоретический анализ учебной литературы, межгосударственных стандартов, научных докладов и статей, сделали следующие выводы:

1. Под действием переменного тока численное значение коэффициента диэлектрической проницаемости становится комплексным, но при высоких, для данного РЭ частотах, его значение становится действительным, динамический коэффициент диэлектрических потерь стремится к нулю.

2. Удельная электрическая проводимость РЭ зависит от множества факторов, в том числе и частота, протекающего через него тока, чем она больше, тем меньше электрическое сопротивление раствора. Это явление названо эффектом Дебая – Фалькенгагена.

3. Высокими для данного РЭ считаются частоты, удовлетворяющие равенству (11).

4. Резисторы – класс компонентов электрической цепи, параметры которого, в современном мире, должны быть регламентированы и подчиняться стандартам.

Глава II. Экспериментальная часть

Для накопления практических данных о проводимости РЭ при различных концентрациях, для выведения возможной зависимости удельной электропроводности РЭ от его концентрации, провели измерения их электрического сопротивления.

Измерения проводились путем снятия вольт-амперной характеристики (ВАХ) РЭ при фиксированном напряжении 12,06 В и переменном токе частотой 50,00 Гц.

Электрическая схема установки для таких измерений представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки для измерения электрического сопротивления РЭ. Здесь R_v – сосуд для измерений параметров РЭ.

Представляет собой герметично закрытую с обоих концов стеклянную трубку с двумя отводами. Через отверстия в пробках к, находящемуся в сосуде РЭ подводятся углеродные электроды. Схематичное изображение сосуда представлено на рис. 2.

Рис. 2. Сосуд для измерения электрического сопротивления РЭ. 1, 3 – резиновые пробки, герметично прижатые к внутренним стенкам трубки, 2 – РЭ, 4 – стеклянная трубка с двумя отводами, 5 – углеродные электроды

Резиновые пробки с электродами вставлены в торцы трубки и их вынимание не предусмотрено. Заполнение, опорожнение сосуда происходит через отводы. Путем доведения высоты столба жидкости в трубках-отводах до риски, достигали заполнения трубки, находящейся в горизонтальном положении, заданным объемом РЭ. Для данного сосуда, этот объем постоянен и равен 27,50 мл при температуре окружающей среды 292 К.

Приготовили растворы различных электролитов в воде разных концентраций, таблица которых приведена ниже.

Таблица 1. Концентрации приготовленных РЭ. Растворы готовились в воде минерализацией не более 8 мг/л, все вещества – ч. д. а.

Проведя измерения с использованием выше описанного сосуда, получили значения электрического сопротивления РЭ при температуре 292 К и приложенном напряжении 12,00 В (см. приложение №1). На их основании сделали вывод о том, что при данных условиях эксплуатации, растворы гидроксида натрия являются наиболее приемлемыми электролитами для жидкостных резисторов.

Таблица 2. Здесь, Iср. – среднее значение тока, проходящего через электролит при данных словиях (проводилось 4 измерения), Rv – сопротивление объема РЭ (27,50 мл), κ – электропроводность объема РЭ (27,50 мл).

По схеме (см. рис. 1) с использованием сосуда (см. рис. 2) для измерения электрического сопротивления РЭ, собрал установку, в через один из отводов трубки, ввел в среду РЭ термопару типа К класса точности 1,0. Таким образом, объем сосуда уменьшился с 27,50 до 26,83 мл. Нагревание растворов производилось лабораторной спиртовой горелкой.

При фиксированном значении напряжения 12,00 В, были получены значения токов при разных температурах (см. приложение №2)

Таблица 3. Здесь, Iср. – среднее значение тока, проходящего через электролит при данных условиях (проводилось 4 измерения).

 
Установка для экспериментов с жидкостным резистором
 

На основании полученных данных об электропроводности РЭ предприняли попытку создания ЖР. Основой для корпуса послужила трубка из химически стойкого стекла ХС-2 по ГОСТ 21400—75, также герметично закрытая с торцов пробками с электродами, внутри среды РЭ присутствует пузырек воздуха.

Установка для экспериментов с ЖР представляет собой сам ЖР закрепленный на штативе, сетевой понижающий трансформатор выходным напряжением 24 В, потенциометр, нагрузка (лампа накаливания 8 Вт, 12 В), часы.

Изначально, объем ЖР равный 26,95 мл, был заполнен 10% раствором гидроксида натрия, таким образом, начальное сопротивление ЖР было равно Rv1=104,452 Ом.

Резистор был включен в цепь последовательно нагрузке непрерывно в течении 72 часов 05 минут. По прошествии этого периода, было произведено измерение сопротивления, оно оказалось равно Rv2=104,259 Ом. Далее резистор снова включили в цепь на промежуток времени равный 24 часа 00 минут. По прошествии этого периода, было произведено измерение сопротивления, оно оказалось равно Rv3=104,697 Ом.

Таблица 4. Зависимость изменения сопротивления ЖР от времени.

Такое малое изменение сопротивления можно принять за статистическую погрешность и заявить, что за промежуток времени 96 часов сопротивление ЖР в данных условиях не изменилось.

 
Рабочий прототип жидкостного резистора.
 

Рис. 3. Прототип ЖР. 1, 3 – резиновые пробки, герметично прижатые к внутренним стенкам трубки, 2 – РЭ, 4 – стеклянная трубка с двумя отводами, 5 – углеродные электроды

Получив достаточно большой массив экспериментальных данных (обработке которых посвящена следующая глава), приступили к созданию прототипа ЖР. Он описан в прошлом пункте.

Оптимальным вариантом электролита для ЖР оказался раствор гидроксида натрия. Концентрация раствора выбирается исходя из требуемых значений сопротивления и температурных условий эксплуатации.

Следует отметить, что ЖР пригодны к эксплуатации лишь в цепях переменного тока, частота которого не превышает предельной, рассчитываемой по (11).

Также, не стоит забывать о температурном действии тока, по этому, площадь поверхности резистора следует делать как можно больше для лучшей теплоотдачи.

В главе описано проведение уникальных экспериментов, в результате которых был получен массив информации, обработке которой посвящения следующая глава.

Были выведены основные правила эксплуатации ЖР, вариант его исполнения.

Глава III. Анализ результатов экспериментов

 
Анализ результатов измерений и обоснование выбора электролита для ЖР
 

В результате проведения экспериментов, по измерению протекающего через среду РЭ тока, были рассчитаны значения сопротивления и проводимости растворов для объема сосуда. Рассчитаем удельные электрическое сопротивления и проводимости, численно равные значениям соответствующих величин для 1 мл.

Таблица 5. Значения удельных электрических сопротивления и проводимости для РЭ при Т=292 К.

Область значений удельного электрического сопротивления раствора гидроксида натрия покрывает больше чем других представленных электролитов, по этому, его использование более рационально, ввиду его универсальности.

Были проведены измерения электрических характеристик РЭ при различных температурах растворов. Обратим внимание на график на рис. 4.

Рис. 4. Ось Х – концентрация РЭ в процентах, ось Y – ток проводимости в Амперах

На нем четко видно что, проводимость РЭ сильно возрастает при увеличении температуры. По этому, при использовании ЖР важно соблюдение температурного режима.

 
Расчеты некоторых электрических и диэлектрических параметров РЭ.
 

Используя полученные экспериментальные данные, можно рассчитать значение коэффициента диэлектрических потерь по (7).

Таблица с рассчитанными значениями коэффициента динамических диэлектрических потерь для растворов гидроксида натрия приведена ниже.

Таблица 6.

Рассчитаем время дипольной диэлектрической релаксации по формуле (8). Его среднее значение для растворов гидроксида натрия равно 0.00347× (10^23) с (значение вязкости воды при 293 К взято из [9]).

 
Существующие способы применения
 

На сегодняшний день, существуют несколько запатентованных способов применения в промышленности электрического сопротивления растворов электролитов. Все они основываются на огромном значении коэффициента диэлектрических потерь, то есть на высоком электрическом сопротивлении РЭ.

Например, были предложены идеи использования ЖР, как сопротивлений в пусковых цепях электродвигателей, как дополнительного нагрузочного сопротивления в цепях мощных электродвигателей буровых установок и пр.

 
Потенциальные способы применения
 

ЖР, как нам кажется, могут иметь сегодня широкое применение в технике, в том числе и как отдельный измерительный прибор, ведь, РЭ, а значит и ЖР изменяют свое сопротивление в зависимости от частоты проходящего через него тока. Однако, их применение в бытовых цепях не рационально из-за крупных габаритов ЖР по сравнению с аналогичными элементами цепи.

Заключение

Проведя огромную работу, обработав большой объем теоретической информации и экспериментальных данных, полученных в ходе измерений, поняли, что растворы электролитов в воде проводят ток, однако на величину этого тока влияет большое количество факторов. Электрическое сопротивление растворов электролитов можно использовать в качестве элемента цепи, таким образом, гипотеза работы доказана.

Приложение

Приложение 1.

Значения измерений значений тока, проходящего через РЭ при напряжении 12,00 В при температуре 292 К.

Здесь, Iср. – среднее значение тока, проходящего через электролит при данных условиях (проводилось 4 измерения), Rv – сопротивление объема РЭ (27,50 мл), κv – электропроводность объема РЭ (27,50 мл).

Приложение 2.

Значения измерений значений тока, проходящего через РЭ при напряжении 12,00 В при температурах 292 К, 305 К, 330 К, 351 К.

Здесь, Iср. – среднее значение тока, проходящего через электролит при данных условиях (проводилось 4 измерения).

Библиографический список

1. Гамеева, О. С. Физическая и коллоидная химия: учебник для техникумов химико-технических специальностей / Ольга Степановна Гамеева. – М.: Высшая школа, 1969. – 408 с.

2. Одинаев, С. К статистической теории диэлектрических свойств растворов электролитов / С. Одинаев, Р. Махадбегов // Доклады академии наук Республики Таджикистан. – 2013. – т.56 №5. – с. 381 – 388.

3. Шарков, Е. Растворы электролитов с точки зрения теории Коула / Е. Шарков // Журнал физической химии – 1984. – т.58 №7. – с. 1705 – 1710.

4. Артемкина, Ю. Электропроводность водных растворов электролитов при бесконечном разведении и предельная высокочастотная проводимость воды / Ю. Артемкина, В. Щербаков // Успехи в химии и химической технологии. – 2012. – т.26 №2. – с. 43 – 47.

5. Антропов, Л. И. Теоретическая электрохимия: учебник для химико-технических специальностей вузов / Л. И. Антропов. – М.: Высшая школа – 1984. – 519 с., ил.

6. Дамаскин, Б. Б. Электрохимия: учебное пособие для химических факультетов университетов / Б. Б. Дамаскин, О. А. Петрий. – М.: Высшая школа – 1987. – 295 с., ил.

7. ГОСТ 21414—75. Межгосударственный стандарт. Резисторы. Термины и определения. – введ. 1977-01-01. – М.: Стандартинформ, 2000 – 13 с.

8. ГОСТ 9664—74. Государственный стандарт Союза ССР. Резисторы. Допускаемые отклонения от номинального значения сопротивления. – Взамен ГОСТ 9664—61; введ. 1975-01-01. – М.: Ордена «Знак Почета» Издательство стандартов, 1993 – 3 с.

9. Волков, А. И. Большой химический справочник / А. И. Волков, И. М. Жарский. – М.: Современная школа, 2005. – 605 с.

Публикации на основе проведенного исследования

Изучение электрических характеристик водных растворов некоторых электролитов

Статья в международном электронном научном журнале «Международный студенческий научный вестник» Российской Академии Естествознания. ISSN 2409—529X ИФ РИНЦ = 0,336.

Выходные данные статьи:

Атигаев А. С. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – №6.; URL: http://www.eduherald.ru/ru/article/view?id=17854 (дата обращения: 20.12.2017).

УДК 544.018.4 Специальность ГРНТИ 31.15.33

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Атигаев А. С.

КГУ «Гимназия №93» ГУ «Отдел образования г. Караганды» (100008 Республика Казахстан, г. Караганда, ул. Алиханова, 24), e-mail: [email protected]

Растворы электролитов, являясь проводниками второго рода, изменяют значение своей удельной электропроводности в зависимости от температуры окружающей среды, приложенной разности потенциалов и частоты проходящего тока иначе, чем металлы и их сплавы. Это их свойство может быть использовано для решения прикладных инженерных задач. Цель работы состоит в измерении удельного электрического сопротивления растворов ряда электролитов. Цель была достигнута.

В статье рассматривается проблема измерения электрических характеристик водных растворов некоторых солей и щелочей. Литературный обзор указывает на работы, решающие задачу прикладного применения знаний об электрических характеристиках растворов электролитов. Продуктом работы является таблица экспериментальных данных, которую можно использовать, как справочный материал для выполнения работ учащимися и студентами, для непосредственного использования при проведении фундаментальных исследований.

Ключевые слова: Электрическое сопротивление, электрические характеристики, растворы, электролиты.

RESEARCH OF SOME ELECTROLYTES» WATER SOLUTIONS» ELECTRICAL CHARACTERISTICS

Atigayev A.

#93 Gymnasium under the egis of Karaganda city education department (ul. Alikhanova, d. 24, g. Karaganda, 100008, Kazakhstan), e-mail: [email protected]

Electrolytes’ water solutions that are ionic conductors can change their specific electrical conductivity as function of ambient temperature, potential difference and current frequency otherwise than metals and metal alloys. It can be used in applied engineering. The idea of this work is in dimension of the some electrolytes’ water solutions’ specific electrical conductivity. The idea was proved.

The problem of electric and dielectric characteristic’s dimension in electrolytes’ water solutions of several salts and alkalis was considered in the article. The literature review points to works that solve the problem of applying knowledge about the electrical characteristics of electrolyte solutions. The product of the work is a table of experimental data, which can be used as a reference material for students and students to perform their work for direct use in basic research.

Keywords: Electrical conductivity, electrical characteristics, solutions, electrolytes.

Постановка проблемы.

Гидроксид натрия, хлорид натрия, сульфат меди, как и многие другие вещества являются незаменимыми в химической промышленности. Постоянно ведутся разработки новых видов оборудования, используемого на химических производствах, ищутся и находятся новые технологические решения. Знание численных значений электрических и диэлектрических характеристик перечисленных и других веществ способно во многом упростить моделирование технологических процессов, происходящих на производствах с их использованием.

Цель исследования состоит в измерении удельного электрического сопротивления растворов ряда электролитов.

Практическая значимость работы обусловлена возможностью использования приведенных в работе экспериментально полученных данных в качестве справочного материала.

Обзор публикаций по теме исследования.

Актуальность исследования подтверждается публикациями на эту тему.

В статье [1] показано, что диэлектрические характеристики РЭ можно связать их с эквивалентной и удельной проводимостью. Например, выведена формула описывающая соотношение удельной электропроводности РЭ, его коэффициента диэлектрической проницаемости, вязкости растворителя и его температуры.

Диссертация [2] рассматривает электрические и диэлектрические свойства таких РЭ, как муравьиная и уксусная кислоты. Поднимается вопрос о практическом применении накопленной информации, выводятся общие уравнения для термодинамических расчетов РЭ, приводятся данные об электрической проводимости РЭ.

Статья [3] рассматривает вольт-амперные характеристики растворов хлоридов натрия и калия, полученных на установках различной конструкции, а именно, с помощью стационарной и импульсной схем.

Сотрудниками московского предприятия «Г-4665» Бухаровым, Герасимовым и Федоткиным был изобретен «Жидкостный резистор, содержащий заполненный электролитом герметичный полый корпус из изоляционного материала» [4]. Разработка представляет собой полый диэлектрический цилиндр, заполненный электролитом с двумя электродами, имеющий специальный отсек с воздушным карманом. Это позволяет оградить воздушную среду и среду РЭ так, что пузырь воздуха не касается электродов.

Томский НИИ Высоких напряжений имеет схожее изобретение [5]. Однако здесь на границе воздушного кармана и среды электролита свободно плавает поплавок с закрепленным на нем электродом, что, по мнению авторов изобретения, позволяет нивелировать влияние теплового расширения РЭ на электрические характеристики резистора.

Работа [6] посвящена выведению формул для вычисления таких величин как, динамический коэффициент диэлектрической проницаемости ε₁ (ω) и динамический коэффициент диэлектрических потерь ε₂ (ω). Их численные значения являются, соответственно действительной и мнимой частями комплексного значения коэффициента диэлектрической проницаемости ε (ω).

Методика измерения электрического сопротивления растворов электролитов.

В целях накопления практических данных о проводимости РЭ была собрана установка для получения их вольт-амперных характеристик. Действующее значение переменного напряжения в цепи было неизменным, равным 12.000 В.

Рис. 1. Схема установки для измерения электрического сопротивления РЭ.

На рис. 1 изображена схема такой установки, здесь R_V – сосуд для измерения электрического сопротивления растворов. Он представляет собой трубку из химически стойкого стекла ХС-2 (ГОСТ 21400—75) с двумя отливами, герметично закрытую с торцов резиновыми пробками с графитовыми электродами. Графит был выбран в качестве материала электродов из-за его химической инертности по отношению к исследуемым электролитам. Сопротивление графитовых электродов в растворе Rэл принимается за константу в данном эксперименте Rэл = 24.446 Ом = const.

Рис. 2. Сосуд для измерения электрического сопротивления РЭ. 1, 3 – резиновые пробки, герметично прижатые к внутренним стенкам трубки, 2 – РЭ, 4 – стеклянная трубка с двумя отливами, 5 – графитовые электроды.

Сосуд для измерения электрического сопротивления электролитов представлен на рис. 2. Объем всех РЭ в сосуде V = 27.500 мл = const. При фиксированном значении действующего напряжения U = 12.000 В = const частотой f = 50.0 Гц = const проводились измерения протекающего через среду РЭ тока. Ток измерялся по четыре раза для каждого РЭ, дальнейшие вычисления проводили, используя среднее арифметическое значение тока для каждого РЭ. Сопротивление объема раствора вычислили по закону Ома для участка цепи, а удельное электрическое сопротивление [7] приняли за электрическое сопротивление 1.000 мл РЭ.

Ввели через один из отливов в сосуд термопару (при этом объем раствора в сосуде не изменился), обмотали трубку проволокой из нихрома, подключили ее через ключ к источнику тока. Таким образом, получили возможность равномерно изменять температуру среды РЭ.

Работа проводилась с растворами гидроксида натрия (ч. д. а.), хлористого натрия (ч. д. а.), безводного сульфата меди (ч. д. а.), безводной уксусной кислоты (х. ч.) в бидистиллированной (мин. не более 7 мг/л) воде.

Результаты измерений и вычислений. Перспективные направления исследований.

Проведя все измерения и вычисления, составили таблицу их результатов (см. таблицу 1). На рисунках 3 – 6 представлены графики зависимости удельного электрического сопротивления растворов электролитов от их концентрации при различной температуре среды. По результатам измерений можно судить о пригодности исследуемых РЭ к использованию в качестве элементов электрических цепей переменного тока.

Рис. 3. Зависимость ρ (ω) для растворов NaOH

при различных температурах. По вертикали ρ, Ом·см. По горизонтали ω, %.

Например, раствор NaOH (см. рис. 3) концентрацией 17,5% по массе имеет наименьшее удельное сопротивление при температурах в диапазоне от 292 до 351 Кельвин.

Рис. 4. Зависимость ρ (ω) для раствора NaCl

при различных температурах. По вертикали ρ, Ом·см. По горизонтали ω, %.

Рис. 5. Зависимость ρ (ω) для раствора CH₃COOH

при различных температурах. По вертикали ρ, Ом·см. По горизонтали ω, %.

Растворы NaCl (см. рис. 4) и CH₃COOH (см. рис. 5) концентрациями от 20 до 40% по массе имеют относительно постоянное удельное электрическое сопротивление в диапазоне температур от 292 до 351 Кельвин. Это их свойство потенциально может быть использовано в технике, например, при использовании растворов этих электролитов в качестве активного элемента электрических цепей переменного тока. Эта тема заслуживает отдельного исследования.

Рис. 6. Зависимость ρ (ω) для раствора CuSO4 при различных температурах. По вертикали ρ, Ом·см. По горизонтали ω, %.

Растворы же гидроксида натрия и сернокислой меди (см. рис. 6) могут гипотетически быть применены в качестве элемента прибора для измерения температуры из-за их относительно высокой чувствительности к ее изменениям в диапазоне концентраций от 2,5 до 30,0% по массе.

Таким же образом могут быть использованы и растворы хлористого натрия и уксусной кислоты в концентрациями 2,5 – 7,5% по массе (см. таблицу 1).

Таблица 1. Удельное электрическое сопротивление и удельная электропроводность водных растворов некоторых электролитов при различной температуре.

Растворы электролитов, изменяя свои электрические и диэлектрические характеристики под влиянием многих факторов, в том числе, температуры, давления среды, концентрации вещества в растворителе, частоты протекающего тока, могут быть применены во многих отраслях промышленности и сферах экономики в качестве датчиков и элементов измерительных приборов.

Литература.

1. Артемкина, Ю. Электропроводность водных растворов электролитов при бесконечном разведении и предельная высокочастотная проводимость воды / Ю. Артемкина, В. Щербаков // Успехи в химии и химической технологии. – 2012. – т.26 №2. – с. 43—47.