Учебно-исследовательская работа по физике: «Электрический ток в жидкостях» «Методы определения электрического заряда электрона» Выполнили: Ларионова Екатерина, Иванова Анна, 9А класс, МОУ «СОШ 25»

Цель работы: Изучить методы определения заряда электрона. Экспериментальным методом определить заряд электрона.

Задачи: 1. Изучить дополнительную литературу по теме: «Электрический ток в жидкостях», изучить законы электролиза. 2.Вывести формулу по определению заряда электрона из закона Фарадея. Провести опыт «Определения заряда электрона», сделать математические расчеты. 3.Провести опыты, доказывающие причину прохождения электрического тока в жидкостях.

Оборудование: Для проведения опыта «Определение заряда электрона»: Для проведения этого опыта мы использовали раствор медного купороса, а в качестве электрода - медную пластину. Для измерения силы тока используют амперметр, время измеряется часами, реостат в цепи необходим для регулирования силы тока, для определения массы вещества, выделившегося на электроде, использовали электронные весы. Для проведения опыта «Носители электрического тока в жидкостях»: Для проведения этого опыта используем раствор поваренной соли и раствор сахара, дистиллированная вода, медный купорос, бензин. Нам потребуется прибор для определения электропроводности, представляющий собой электрическую цепь, состоящую из последовательно соединённых: источника тока, эбонитовой пластинки с вмонтированными в неё угольными электродами и лампочки.

Методы исследования: Лабораторный, аналитический, метод сравнения.

Введение Электрический ток в жидкостях обусловлен движением положительных и отрицательных ионов. В отличии от тока в проводниках где движутся электроны. Таким образом, если в жидкости нет ионов, то она является диэлектриком, например дистиллированная вода. Поскольку носителями заряда являются ионы, то есть молекулы и атомы вещества, то при прохождении через такую жидкость электрического тока неизбежно приведет к изменению химических свойств вещества. Откуда же в жидкости берутся положительные и отрицательные ионы. Скажем сразу, что не во всех жидкостях способны образоваться носители зарядов. Те, в которых они появляются, называются электролитами. К ним относятся растворы солей кислоты и щелочи. При растворении соли в воде, к примеру, возьмем поваренную соль NaCl, она распадается под действием растворителя, то есть воды на положительный ион Na называемый катионом и отрицательный ион Cl называемым анионом. Процесс образования ионов называется электролитическая диссоциация. С электропроводностью растворов солей в воде связано многое в нашей жизни. А, следовательно, с электрическим током в жидкостях. Не зря это явление изучает целая наука - электрохимия, в которой исследуются процессы в проводниках, на электродах (из металлов или полупроводников, включая графит) и в ионных проводниках (электролитах). Электрохимия изучает процессы окисления и восстановления, протекающие на пространственно-разделённых электродах, перенос ионов и электронов. Прямой перенос заряда с молекулы на молекулу в электрохимии не рассматривается. Нас сейчас больше интересуют физические основы этого явления

Электрический ток в жидкостях Жидкости, как и твердые тела, могут быть диэлектриками, проводниками и полупроводниками. К числу диэлектриков относится дистиллированная вода, к проводникам - растворы и расплавы электролитов: кислот, щелочей и солей. Жидкими полупроводниками являются расплавленный селен, расплавы сульфидов и др.

Электролитическая диссоциация При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией. Степень диссоциации, т. е. доля в растворенном веществе молекул, распавшихся на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и электрических свойств растворителя. С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов. Ионы разных знаков при встрече могут снова объединиться в нейтральные молекулы - рекомбинировать. При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, распадающихся за секунду на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь объединяются в нейтральные молекулы.

Опыт «Носители электрического тока в жидкостях» В ходе этого опыта мы установили, что лампочка загоралась в растворе поваренной соли и CuSo4. А вот в дистиллированной воде и растворе сахара нет. Дистиллированная вода очищена от примесей, поэтому не проводит электрический ток. А почему его не проводит раствор сахара?

Почему раствор сахара не проводит электрический ток? Сахароза (С12Н22О11) состоит из молекул (ковалентная неполярная связь), следовательно, не распадается на ионы и даже при растворении в воде не проводит электрический ток. В растворах органических веществ – бензине, керосине и др. – диссоциации не происходит, так как молекулы этих растворителей неполярны: они не оказывают влияния на ионы растворяемых веществ и не взаимодействуют с ними.

Вещества делятся на электролиты и неэлектролиты. Способность вещества проводить электрический ток, называется электропроводностью.

Электролиты имеют различную степень диссоциации, т.е. степень диссоциации зависит от природы электролиты, от концентрации, с разбавлением раствора степень диссоциации увеличивается.

Ионная проводимость. Носителями заряда в водных растворах или расплавах электролитов являются положительно и отрицательно заряженные ионы. Если сосуд с раствором электролита включить в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться к положительному электроду - аноду, а положительные - к отрицательному - катоду. В результате установится электрический ток. Поскольку перенос заряда в водных растворах или расплавах электролитов осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной. Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Такой проводимостью обладают, например, жидкие металлы.

Электролиз При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (в химии это называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция). Процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, называют электролизом.

Применение электролиза Электролиз широко применяют в технике для различных целей. Электролитическим путем покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого (никелирование, хромирование, омеднение и т. п.). Это прочное покрытие защищает поверхность от коррозии. Процесс получения отслаиваемых покрытий - гальванопластика - был разработан русским ученым Б. С. Якоби ( ), который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора в Санкт- Петербурге. При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Так, полученную из руды неочищенную медь отливают в форме толстых листов, которые затем помещают в ванну в качестве анодов. При электролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь. С помощью электролиза получают электронные платы, служащие основой всех электронных изделий. На диэлектрик наклеивают тонкую медную пластину, на которую наносят особой краской сложную картину соединяющих проводов. Затем пластину помещают в электролит, где вытравливаются незакрытые краской участки медного слоя. После этого краска смывается и на плате появляются детали микросхемы.

Закон электролиза. При электролизе на электродах происходит выделение вещества. От чего зависит масса вещества, выделяющегося за определенное время? Это определяет закон электролиза. Очевидно, что масса выделившегося вещества m равна произведению массы одного иона m0i на число ионов достигших электрода за время: Масса иона m0i согласно формуле равна: где М - молярная (или атомная) масса вещества, а NA - постоянная Авогадро, т. е. число ионов в одном моле.

Число ионов, достигших электрода, равно: где - заряд, прошедший через электролит за время ; - заряд иона, который определяется валентностью n атома: (е - элементарный заряд). При диссоциации молекул, состоящих из одновалентных атомов (n = 1), возникают однозарядные ионы. Например, при диссоциации молекул КВr возникают ионы K+ и. Диссоциация молекул медного купороса ведет к появлению двухзарядных ионов Cu2+ и SO42-, так как атомы меди в данном соединении двухвалентны (n = 2). Подставляя в формулу выражения учитывая, чтоа, получаем:

Закон Фарадея Обозначим через k коэффициент пропорциональности между массой вещества m и зарядом: Коэффициент k зависит от природы вещества (значений М и n). Согласно формуле имеем: Следовательно, масса вещества, выделившегося на электроде за время при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени. Это утверждение, полученное нами теоретически, впервые было установлено экспериментально Фарадеем и носит название закона электролиза Фарадея.

Из формулы видно, что коэффициент k численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда, равного 1 Кл. Величину k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества и выражают в килограммах на кулон (кг/Кл). Электрохимический эквивалент имеет простой физический смысл. Так как то согласно формуле т. е. k - отношение массы иона к его заряду. Измеряя величины m и, можно определить электрохимические эквиваленты различных веществ.

Убедиться в справедливости закона Фарадея можно на опыте. Соберем установку, показанную на рисунке. Все три электролитические ванны заполнены одним и тем же раствором электролита, но токи, проходящие через них, различны. Обозначим силы токов черезI1, I2, I3. Тогда I1 = I2 + I3. Измеряя массы m1, m2, m3 веществ, выделившихся на электродах в разных ваннах, можно убедиться, что они пропорциональны соответствующим силам токов I1, I2, I3.

Экспериментальное определение элементарного электрического заряда (опыты Милликена – Иоффе). Первый наиболее точные опыты по измерению заряда электрона были осуществлены в гг. американским физиком Р. Милликеном ( ) и независимо от него в 1913г. Ученым нашей страны Л. Ф. Иоффе ( ). Милликен поставил смелую для того времени задачу: измерить электрический заряд отдельных мелких капелек масла. Иоффе измерял заряд маленьких пылинок цинка и капелек ртути. Для этого нужно было измерить силу, равную приблизительно Н, действующую на частичку вещества массой около г.

Основная часть установки Милликена представляла собой две параллельные пластины, между которыми создавалось однородное электрическое поле. В это поле с помощью распылителя впрыскивались капельки масла. (Масло имеет низкое давление насыщенных паров, и поэтому испарением капелек за время опыта можно пренебречь.) Весь прибор был помещен внутрь защитного кожуха для того, чтобы температура и давление воздуха оставались строго постоянными. При распылении масла капельки электризовались и двигались под влиянием силы тяжести, электрического поля и других сил. За движением капелек можно было наблюдать в микроскоп через специальное окошко. Сначала измеряли скорость v0 установившегося падения капли (v0=const) под действием силы тяжести pVg, выталкивающей силы poVg и силы сопротивления воздуха F, (здесь p – плотность масла, ро - плотность воздуха, а V – объем капли). Сила сопротивления при небольших скоростях движения прямо пропорциональна скорости: F=bv. Коэффициент и зависит от радиуса капли и вязкости воздуха. Его можно определить.

Затем создавалось электрическое поле между пластинами, заставлявшее капельку подниматься вверх, и измерялась скорость v установившегося движения капельки под действием поля. Так как при движении с постоянной скоростью сумма всех сил равна нулю, то в первом случае скорость капельки v0 определяется уравнением: pVg – poVg – bv0=0 1 При включении поля уравнение установившегося движения капельки примет вид: pVg – poVg + bv – qE=0 2 Из формул можно определить значение заряда капельки: 3 При облучении капелек масла рентгеновскими лучами наблюдалось скачкообразное изменение скорости движения капельки в электрическом поле. Это свидетельствовало о том, что заряд капельки под действием рентгеновских лучей менялся прерывно. Рентгеновские лучи вырывали из капельки отдельные электроны.

Заряду электрона соответствовало минимальное значение заряда q капельки, определяемого формулой 3. В результате многочисленных опытов Милликен пришел к значению заряда электрона: е = 1,6*Кл. По современным данным, значение элементарного заряда равно: e=1, *Кл Последние два знака определены с точностью ±46. Наиболее точные значения элементарного электрического заряда получены при наблюдении движения заряженных капелек масла в электрическом поле.

Опыт «Определение заряда электрона». В наших экспериментах использовался раствор медного купороса (CuSO4), а в качестве электродов – медные пластины. Заряд электрона может быть определен по формуле

Формулу получили из закона Фарадея для электролиза. Здесь m – масса выделившегося на электроде вещества, M – молярная масса вещества, Na – постоянная Авагадро, I – сила тока, прошедшего через раствор электролита, t – время прохождения тока. Масса выделившаяся на катоде меди определяется путем взвешивания катода до и после проведения опыта (m1 и m2). Поэтому m = m2-m1 и формула для определения заряда электрона примет вид: Для измерения силы тока мы использовали амперметр, время измеряется часами. Реостат в цепи необходим для регулирования силы тока.

Итак, для начала взвесим медную пластину(4г). Затем укрепляем электроды в держателе, не вставляя электроды в банку с раствором, собираем электрическую цепь. Опускаем пластину в банку с раствором, замыкаем ключ и проводим этот процесс 20мин. По окончании опыта размыкаем ключ, вынимаем медную пластину и взвешиваем(4,395г). Подставляем полученные значения в формулу: Mr=63,5г/моль m1=4г m2= 4,395г n=2 Na= I=1А t=1200с

Дополнительные способы определения заряда электрона 1. 1.Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимённо заряженными и поэтому отклоняются друг от друга Также может применяться электрометр, в простейшем случае состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении заряженного тела со стрежнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между одноимёнными зарядами на стержне и стрелке, вызывают её поворот. Для измерения малых зарядов используются более чувствительные электронные электрометры.

Заключение 1. 1.В ходе исследовательской работы мы сделали вывод, что носителями электрического тока в жидкостях являются положительно и отрицательно ионы Закон Фарадея позволяет точно определить заряд электрона. Многократные опыты показали, что заряд электрона равен 3. 3.К этому выводу пришли опыты и вычисления Милликена, Резерфорда и ряда других ученых.