Навчальне дослідження 8. Дослідження електропровідності речовин і розчинів (Григорович)

Зміст

ВИЗНАЧАЄМО НЕБЕЗПЕКИ Й ОЦІНЮЄМО РИЗИКИ

Які небезпечні та проблемні ситуації можуть виникнути під час роботи з названими речовинами та обладнанням? Якими мають бути ваші дії в разі небезпеки?

Під час виконання дослідження можуть виникнути такі небезпечні ситуації:

• Ураження електричним струмом під час контакту з оголеними проводами, клемами чи вологою поверхнею приладу.
• Термічні опіки під час нагрівання порцелянової чаші для плавлення речовин.
• Хімічні опіки шкіри та очей у разі потрапляння розчинів їдких лугів ($\mathrm{NaOH},\mathrm{KOH}$) або кислот ($\mathrm{HCl},{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$).

Дії в разі виникнення небезпеки:

• Якщо виникла несправність приладу або відчутно дію струму, слід негайно знеструмити установку (розімкнути вимикач чи вийняти вилку з розетки) і повідомити вчителя.
• У разі термічного опіку треба швидко підставити обпечене місце під струмінь холодної води на 10–15 хвилин.
• У разі потрапляння кислоти або лугу на шкіру слід негайно змити речовину великою кількістю проточної води. Потім місце опіку кислотою обробляють 2% розчином питної соди, а опік лугом — 1% розчином борної або лимонної кислоти, після чого звертаються до шкільного медпункту.

ЕТАПИ РОБОТИ

1. Сформулюйте мету дослідження відповідно до визначеного завдання.

Експериментально перевірити здатність чистих сухих речовин, дистильованої води, водних розчинів і розплавів проводити електричний струм, а також з’ясувати причини виявлених відмінностей.

2. Сформулюйте гіпотезу щодо електропровідності досліджуваних зразків речовин.

Електричний струм проводитимуть не всі речовини, а лише розчини та розплави сполук із йонним або полярним ковалентним зв’язком, оскільки тільки в рідкому стані вони утворюють вільні рухливі заряджені частинки (йони). Сухі кристали, дистильована вода та розчини неелектролітів електричного струму не проводитимуть.

3. Запропонуйте конструкцію пристрою для перевірки електропровідності (схему електричного кола). Якщо маєте можливість і необхідність, виготовте власноруч такий пристрій.

Прилад складається з послідовно з’єднаних джерела постійного або змінного струму безпечної напруги (батарейка 4,5–9 В або лабораторний блок живлення), вимикача, світлодіода (або лампи розжарювання на підставці) та двох електродів (графітових або металевих стрижнів), які занурюють у хімічну склянку з досліджуваною речовиною.

4. Складіть план експерименту для перевірки електропровідності: кристалічних речовин, дистильованої води, водних розчинів кристалічних речовин (для приготування можна використовувати лише дистильовану воду), а також розплавів речовин.

План виконання досліду:

1) Занурити сухі електроди у склянки із сухими кристалічними речовинами ($\mathrm{NaCl}$, цукор, лимонна кислота, $\mathrm{NaOH}$) і замкнути коло. Зафіксувати, чи світиться лампа.

2) Промити електроди дистильованою водою, насухо витерти, занурити у склянку з чистою дистильованою водою та перевірити електропровідність.

3) Додати до кожної кристалічної речовини дистильовану воду, ретельно перемішати до повного розчинення і по черзі випробувати отримані розчини (після кожного зразка ретельно промивати електроди дистильованою водою).

4) Перевірити електропровідність розбавлених розчинів хлоридної ($\mathrm{HCl}$) та сульфатної (${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$) кислот.

5) У порцеляновій чаші за допомогою нагрівного приладу розплавити легкоплавку речовину (кальцій хлорид гексагідрат $\mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2\cdot 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$) і занурити електроди в розплав (демонстраційно). Потім окремо нагріти цукор до плавлення і випробувати його розплав.

5. Виконайте експеримент відповідно до складеного плану. Результати досліджень оформте у вигляді таблиці.

6. За результатами дослідження зробіть висновки, виявивши спільне в досліджених речовинах або розчинах, які проводять / не проводять електричний струм.

Електричний струм проводять водні розчини солей, лугів і кислот, а також розплави солей. Спільним для них є розпад на вільні гідратовані або рухливі йони, які переносять електричний заряд.

Не проводять струм сухі кристалічні речовини, чиста дистильована вода, а також розчини й розплави органічних речовин молекулярної будови (цукор). Спільним для них є відсутність вільних заряджених частинок, оскільки речовини або міцно зв’язані у кристалічній ґратці, або існують лише у вигляді електрично нейтральних молекул.

ДЛЯ ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ РОБОТИ ОБГОВОРІТЬ ПИТАННЯ

1. У яких станах речовини виявляли електропровідність, а в яких — ні?

Речовини виявляли електропровідність у стані водного розчину або розплаву (для електролітів). У твердому кристалічному стані жодна з досліджених речовин струм не проводила. Дистильована вода також не проводить електричний струм. Речовини молекулярної будови (наприклад, цукор) не виявляють електропровідності в жодному стані — ані у твердому, ані в розчині, ані в розплаві.

2. Чи змінювалась електропровідність тієї самої речовини залежно від її стану (твердий, розчин, розплав)? Як саме?

Так, електропровідність речовин йонної будови (наприклад, натрій хлориду чи кальцій хлориду) змінюється. У сухому кристалічному стані вони є діелектриками, тому що йони жорстко зафіксовані у вузлах кристалічної ґратки. Під час розчинення у воді або розплавлення ґратка руйнується, йони набувають вільного руху, і речовина стає провідником струму. Речовини на кшталт цукру не змінюють своїх властивостей і залишаються неелектролітами за будь-якого стану.

3. Водні розчини яких речовин проводять електричний струм? Що в них спільного?

Електричний струм проводять розчини солей ($\mathrm{NaCl},\mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2$), лугів ($\mathrm{NaOH},\mathrm{KOH}$) та кислот ($\mathrm{HCl},{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$, лимонна кислота). Спільним для них є те, що під впливом полярних молекул води вони дисоціюють на вільні йони (позитивно заряджені катіони та негативно заряджені аніони), які вільно пересуваються до протилежно заряджених електродів.

4. Які речовини проводять / не проводять електричний струм і у водному розчині, і в розплаві?

Речовини з йонною кристалічною ґраткою (солі та луги, як-от $\mathrm{NaCl},\mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2,\mathrm{NaOH}$) проводять електричний струм і у водному розчині, і в розплавленому стані. Неелектроліти з молекулярною ґраткою (цукор) не проводять струм ані у водному розчині, ані в розплаві, оскільки вони складаються з нейтральних молекул і не розпадаються на йони.

5. Чи підтвердилась ваша гіпотеза щодо електропровідності досліджуваних речовин? Якщо ні, то чому?

Висунута на початку роботи гіпотеза повністю підтвердилася. Експеримент довів, що сухі кристалічні сполуки та дистильована вода струм не проводять, а електропровідність виникає лише в розчинах або розплавах речовин йонної чи сильнополярної ковалентної будови завдяки утворенню вільних йонів.

6. Чому деякі кристалічні речовини не проводять струм, а їх розчини — проводять?

У сухому кристалі йони міцно зв’язані між собою електростатичними силами й можуть лише коливатися у вузлах ґратки, тому не здатні забезпечити спрямований рух заряду. Під час розчинення у воді диполі ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ орієнтуються навколо йонів, руйнують кристал і гідратують їх. Утворені гідратовані йони отримують свободу пересування розчином, тому розчин проводить електричний струм.

7. Запропонуйте класифікацію досліджених речовини за здатністю проводити електричний струм.

За здатністю розчинів або розплавів проводити струм усі досліджувані речовини поділяють на дві групи:

• Електроліти — речовини, розчини або розплави яких проводять електричний струм завдяки утворенню йонів (натрій хлорид, кальцій хлорид, натрій гідроксид, калій гідроксид, хлоридна, сульфатна та лимонна кислоти).
• Неелектроліти — речовини, розчини або розплави яких не проводять електричного струму, бо не утворюють йонів (цукор, дистильована вода).