Komitet Główny Olimpiady Fizycznej, Waldemar Gorzkowski: Olimpiady fizyczne XXIII i XXIV. WSiP, Warszawa 1977.

Transkrypt

1 XXV OLMPADA FZYCZNA (1974/1975). Stopiń, zadani doświadczaln D Źródło: Nazwa zadania: Działy: Słowa kluczow: Komitt Główny Olimpiady Fizycznj, Waldmar Gorzkowski: Olimpiady fizyczn XX i XXV. WSiP, Warszawa Polarografia Elktryczność prawo Ohma, opór, napięci, siła lktromotoryczna, SEM, charaktrystyka prądowo napięciowa, roztwór, lktrody węglow, lktrolit, polaryzacja, woltomirz, ampromirz, mirnik prądu Zadani doświadczaln D, zawody stopnia, XXV OF. Zlwki oznaczon numrami od 1 do 4 zawirają rozcińczon roztwory soli: 1 AgNO 3, 2 AgNO 3 (stężni roztworu w zlwc 1 jst większ niż w zlwc 2), 3 ZnSO 4, 4 NaF. Mając do dyspozycji: źródło prądu stałgo, przwody, ampromirz, woltomirz, opornic suwakową jdnakow lktrody węglow (1 sztuk pręcików grafitowych), plastlinę do umocowania lktrod w zlwkach oraz papir milimtrowy okrśl, jaka z substancji znajduj się w roztworach 1 4. Wyjaśnij zaobsrwowan zjawiska. Uzasadnij wybraną mtodę. Rozwiązani Rozwiązani ninijszgo zadania polga na zrobiniu charaktrystyk prądowo napięciowych wszystkich roztworów oraz na analizi ich przbigu. Charaktrystykę zdjmujmy za pomocą układu przdstawiongo na rysunku poniżj (Rys 1). Badany roztwór µa V Rys /5 -

2 W podręcznikach czasami można znalźć stwirdznia, ż lktrolity (przynajmnij słab) podlgają prawu Ohma. Wydawałoby się, więc, ż jżli zanurzymy w roztworz lktrody i przyłożymy do nich napięci, to zalżność natężnia od przyłożongo napięcia będzi liniowa ~ U. Tymczasm okazuj się, ż tak ni jst. Czyżby więc podręczniki podawały wiadomości niprawdziw? Rzcz w tym, ż rozcińczon lktrolity rzczywiści spłniają prawo Ohma, al trzba uwzględnić całkowit napięci, któr jst równ sumi napięcia zwnętrzngo i napięcia pojawiającgo się na lktrodach wskutk ich polaryzacji. Jżli będzimy brać pod uwagę napięci zwnętrzn, a opuszczać SEM polaryzacji, to charaktrystyki omowj ni dostanimy. Gdyby siła lktromotoryczna polaryzacji E p była stała, to wyrażni na natężni prądu było następując: U E p 1 E p = = U. R R R gdzi R oznacza opór lktrolitu. Wykrs funkcji (U) danj tym wzorm przy założniu dodatkowym, ż dla U < E P prąd ni płyni przdstawiono na rysunku poniżj (Rys 2). E p α tgα = 1 R U E R p Rys. 2. W rzczywistości, przy nizbyt wysokich napięciach, przbig charaktrystyki jst zaokrąglony, co jst spowodowan zalżnością zarówno E p jak i R od napięcia. Typowy przbig rzczywistj charaktrystyki prądowo napięciowj roztworu pokazano na rysunku poniżj (Rys. 3). Krzywa na poniższym rysunku jst scharaktryzowana trzma łatwymi do wyznacznia paramtrami: a) kątm α, będącym miarą oporu lktrolitu, b) maksymalnym napięcim polaryzacji E pmax c) napięcim rozkładu U r, przy którym przz lktrolit zaczyna płynąć prąd. Jżli chodzi o pirwszy z tych paramtrów, to ni nadaj się on do idntyfikacji substancji, gdyż silni zalży od stężnia roztworu. Drugi paramtr równiż ni jst zbyt dobry, gdyż na wartość E pmax wpływa wil trudnych do skontrolowania zjawisk, takich jak na przykład różnic stężń różnych jonów przy lktrodach. Pozostaj więc trzci paramtr, czyli napięci rozkładu. - 2/5 -

3 Nasycni (niosiągaln w warunkach doświadczń) α U r E pmax U Rys. 3. Na rysunkach 4, 5 i 6 pokazano charaktrystyki prądowo napięciow dla substancji wyminionych w tkści zadania, przy czym dla każdj substancji pomiarów wykonano dla stężń. Punkty doświadczaln zaznaczon na wykrsach ni są równ wprost wskazaniom woltomirza i ampromirza. Zostały on zmodyfikowan przz uwzględnini poprawk naopory wwnętrzn przyrządów (wilkości tych oporów były podan na przyrządach, którymi dysponowali zawodnicy). Z wykrsów widzimy, ż E pmax zalży od stężnia roztworu i zgodni z poprzdnimi uwagami wilkością tą do idntyfikacji substancji ni można posługiwać się (przynajmnij w naszym doświadczniu). Natomiast wilkość U r okazuj się prawi nizalżna od stężnia i co więcj dla podanych trzch substancji wartości U r różnią się wyraźni. Jżli więc zrobimy traz charaktrystykę roztworu w zlwc 5, to będzimy mogli bz trudu okrślić, która substancja tam się znajdowała. 8 AgNO 3 Mikroampromirz i mikrowoltomirz UM Rys /5 -

4 ZnSO 4 Mirnik UM 38 Roztwory przygotowan z wody przgotowanj Rys. 5 NaF Mirniki: mikroampromirz LAVO 3 i mikrowoltomirz Rys /5 -

5 Opisan powyżj doświadczni jst jdnym z najprostszych doświadczń polarografii. Okazuj się, ż badani charaktrystyk prądowo napięciowych pozwala otrzymać bardzo wil informacji. Dzidzina, która się tym zajmuj nazywa się polarografią. Osobom, któr się tym zaintrsowały warto polcić samodziln szprani w litraturz. Na początk można zajrzć do Encyklopdii Fizyki, gdzi można znalźć odnośniki do innych pozycji. Jżli chodzi o pracę zawodników, to zadani wypadło stosunkowo niźl. Najczęstszym błędm było używani tych samych lktrod przz prznoszni ich z zlwki do zlwki. Oczywiści z lktrodami prznosi się zawsz nico roztworu. W fkci roztwory przstają być czyst, a dla roztworów z niwilkimi nawt domiszkami charaktrystyki wyglądają nico inaczj. - 5/5 -