Вещества которые являются проводниками электричества: What are conductive materials and their characteristics?

Содержание

Какие вещества проводят электричество? | Эксперимент

На этом практическом занятии учащиеся проверяют электропроводность ковалентных и ионных веществ в твердом и расплавленном состояниях

Этот эксперимент позволяет учащимся различать электролиты и неэлектролиты и убедиться, что ковалентные вещества никогда не проводят электричество, даже когда они сжижены. тогда как ионные соединения проводят в расплавленном состоянии.

Практические работы хорошо подходят для классного эксперимента, когда учащиеся работают в группах по два-три человека. На исследование всех веществ не будет времени, поэтому каждой группе можно назначить три или четыре из них, а в конце результаты объединить.

Оборудование

Аппаратура

Защита глаз
Электроды угольные (графитовые), вставленные в держатель (см. примечание 1 ниже)
Горелка Бунзена
Штатив
Треугольник для трубной глины
Термостойкий мат
Зажим и подставка
Маленькие кусочки наждачной бумаги
Соединительные провода и зажимы типа «крокодил»
Блок питания постоянного тока, 6 В
Лампочка в патроне, 6 В (см. примечание 2 ниже)

Примечания к аппарату

Угольные электроды должны быть закреплены в какой-либо опоре, например, в полиэтиленовом держателе или большой резиновой пробке, чтобы исключить возможность короткого замыкания электродов. Электроды необходимо закрепить таким образом, чтобы они поместились внутри поставляемого тигля.
Лампа имеет больший визуальный эффект, но вместо нее можно использовать амперметр.

Химикаты

Мелкие кусочки свинца (ТОКСИЧЕСКИЕ), меди и, возможно, других металлов
Тигли, содержащие образцы:
- Фенилсалицилат (салол) (РАЗДРАЖАЮЩИЙ, ОПАСНЫЙ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ)
- Полиэтилен
- Воск
- Сахар
- Хлорид цинка (КОРРОЗИОННОЕ, ОПАСНОЕ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ)
- Калий йодид
- Сера (опционально)

Примечания по охране труда и технике безопасности

Прочтите наше стандартное руководство по охране труда и технике безопасности.
Всегда используйте защитные очки.
Свинец, Pb(s), (ТОКСИЧЕСКИЙ) – см. карточку опасности CLEAPSS HC056.
Медь, Cu(s) – см. карточку опасности CLEAPSS HC026.
Фенилсалицилат (салол), C ₆ H ₄ (OH)COOC ₆ H ₅ (s), (РАЗДРАЖАЮЩЕЕ, ОПАСНОЕ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ) – см. карточку опасности CLEAPSS HC052.
Воск — см. карточку опасности CLEAPSS HC045b.
Сахар (сахароза), C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ (s) — см. карточку опасности CLEAPSS HC040c.
Хлорид цинка, ZnCl ₂ (s) (КОРРОЗИОННОЕ, ОПАСНОЕ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ) – см. карточку опасности CLEAPSS HC108a.
Йодид калия, KI(s) – см. карточку опасности CLEAPSS HC047b.
Сера, S ₈ (s) – см. карточку опасности CLEAPSS HC096A. Сера является неметаллическим элементом и является хорошим веществом для включения в список. Но есть большая вероятность его возгорания с диоксидом серы, SO ₂ (г), (ТОКСИЧЕСКИЙ), выделенный. Серные пожары трудно потушить. В этом случае накройте сосуд влажной тканью и оставьте на месте до остывания. Если есть время, серу можно сделать в качестве демонстрации учителя. Очень-очень медленно нагревайте небольшой образец «цветов серы». Сера — очень плохой проводник тепла, и локальное нагревание может привести к ее возгоранию! Вы должны использовать вытяжной шкаф.

Процедура

Часть 1

Настройте цепь, как показано на схеме, на этом этапе не включайте пламя тигля или бунзеновской горелки (о них позже).

Источник: Королевское химическое общество

Прибор, необходимый для определения проводимости различных веществ в твердом и расплавленном состоянии или не он проводит электричество, то выключите ток.

Запишите результаты, используя студенческий лист, доступный с этим ресурсом (см. ссылки для скачивания ниже), и повторите этот эксперимент с каждым доступным металлом.

Выберите одно из тел, содержащихся в тигле.

Опустите электроды так, чтобы они были хорошо погружены в твердое тело, а затем зажмите электроды на месте.

Включите ток и выясните, проводит ли твердое тело электричество или нет, затем снова выключите ток.

Установите тигель над горелкой Бунзена на треугольник из глины и штатив и закрепите электроды над тиглем. Осторожно нагрейте образец, пока он не расплавится, а затем выключите пламя Бунзена. При необходимости опустите электроды в расплавленное вещество, прежде чем снова зажать их.

Снова включить ток. Проводит ли теперь расплавленное вещество электричество? Снова отключите ток.

Запишите все свои наблюдения.

Поднимите электроды из тигля и дайте им остыть.

Очистите электроды наждачной бумагой.

Часть 2

Повторите шаги с 4 по 10 для некоторых или всех других твердых тел.

Часть 3

Объедините свои результаты с другими группами, чтобы ваша таблица была полной.

Учебные заметки

Ковалентные твердые вещества нужно нагревать только в течение короткого времени, чтобы произошло плавление. Ни при каких обстоятельствах нагревание не должно быть продолжительным, иначе вещества могут разложиться и/или сгореть. Студенты должны быть предупреждены о том, что делать в этом случае, например, накрыться влажной тканью. Опыты следует проводить в хорошо проветриваемой лаборатории.

Может оказаться полезным зарезервировать тигель для каждого из порошкообразных соединений, имея при этом один или два других тигля, которые можно нагревать. После того, как твердое вещество было сжижено и ему дали остыть, затвердевший комок часто трудно разбить или превратить в порошок в тигле.

Хлорид цинка плавится примерно при 285 °C, поэтому нагревание должно быть довольно продолжительным по сравнению с ковалентными твердыми веществами. Однако он будет выделять хлор (ТОКСИЧНЫЙ), поэтому нагрев следует прекратить, как только будет обнаружена проводимость. Иодид калия плавится примерно при 675 °С, поэтому здесь необходим очень сильный и продолжительный нагрев.

Вопросы учащихся

Что вы можете сказать об электропроводности металлов?
Все ли твердые соединения проводят электричество?
Любое из расплавленных соединений проводит электричество. Если да, то какие?
Почему некоторые вещества проводят ток только в сжиженном состоянии?
Можете ли вы теперь классифицировать все соединения как ионные или ковалентные?

Ответы

Все металлы хорошо проводят электричество. Вы должны объяснить эту проводимость с точки зрения «свободных» электронов в металлической структуре.
Нет, ни один из них.
Да, хлорид цинка и йодид калия.
Некоторые вещества являются ионными, но электропроводность возможна только тогда, когда ионы свободны и подвижны. Это происходит после расплавления твердого тела.
Фенилсалицилат, полиэтилен, воск и сахар являются ковалентными. Хлорид цинка и йодид калия являются ионными.

Дополнительная информация

Это ресурс проекта «Практическая химия», разработанного Фондом Наффилда и Королевским химическим обществом. Эта коллекция из более чем 200 практических заданий демонстрирует широкий спектр химических концепций и процессов. Каждое задание содержит исчерпывающую информацию для учителей и техников, включая полные технические примечания и пошаговые инструкции. Практические занятия по химии сопровождают практические занятия по физике и практической биологии.

Проверка здоровья и безопасности, 2016 г.

11.2: Ионы в растворе (электролиты)

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 49484

Эд Витц, Джон У. Мур, Джастин Шорб, Ксавьер Прат-Ресина, Тим Вендорф и Адам Хан
Цифровая библиотека химического образования (ChemEd DL)

90 035

В книге «Бинарные ионные соединения и их свойства» мы указываем, что когда ионное соединение растворяется в воде, положительные и отрицательные ионы, изначально присутствующие в кристаллической решетке, остаются в растворе. Их способность практически независимо перемещаться в растворе позволяет им переносить положительные или отрицательные электрические заряды из одного места в другое. Следовательно, раствор проводит электрический ток.

Вещества, растворы которых проводят электричество, называются электролитами. Все растворимые ионные соединения являются сильными электролитами. Они проводят очень хорошо, потому что они обеспечивают обильный запас ионов в растворе. Некоторые полярные ковалентные соединения также являются сильными электролитами. Типичными примерами являются HCl, HBr, HI и H ₂ SO ₄, все из которых реагируют с H ₂ O с образованием больших концентраций ионов. Раствор HCl, например, проводит даже лучше, чем раствор NaCl той же концентрации.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Электропроводность растворов электролитов: (а) 0,1 М NaCl (б) 0,05 М NaCl (в) 0,1 М HgCl ₂ . Раствор электролита проводит электричество из-за движения ионов в растворе (см. выше). Чем больше концентрация ионов, тем лучше проводимость растворов. Слабые электролиты, такие как HgCl ₂ , имеют плохую проводимость, поскольку при растворении образуют мало ионов (низкая концентрация ионов) и существуют в основном в виде молекул.

Влияние концентрации ионов на электрический ток, протекающий через раствор, показано на рисунке \(\PageIndex{1}\). Часть и на рисунке показано, что происходит, когда батарея подключается через электросчетчик к двум инертным металлическим полоскам (электроды ), погруженным в этанол. В каждом кубическом дециметре такого раствора содержится 0,10 моль NaCl (то есть 0,10 моль Na ⁺ и 0,10 моль Cl ^– ). Электрический ток через раствор проводят как ионы Na ⁺, движущиеся к отрицательному электроду, так и ионы Cl ^—, которые притягиваются к положительному электроду. Циферблат на измерителе показывает величину тока.

На рис. 1 b показано, что при замене 0,10- М раствора NaCl на 0,05- М раствора NaCl показание счетчика падает примерно вдвое от прежнего значения. Уменьшение вдвое концентрации NaCl вдвое уменьшает количество ионов между электродами, а вдвое меньшее количество ионов может нести только вдвое меньший электрический заряд. Поэтому ток вдвое меньше. Поскольку проводимость электрического тока напрямую зависит от концентрации ионов, она является полезным инструментом при изучении растворов.

Измерения проводимости показывают, что большинство ковалентных соединений, если они вообще растворяются в воде, сохраняют свои первоначальные молекулярные структуры. Нейтральные молекулы не могут нести электрические заряды через раствор, поэтому ток не течет. Вещество, водный раствор которого проводит не лучше, чем сама вода, называется неэлектролитом . Некоторые примеры: кислород, O ₂, этанол, C ₂ H ₅ OH, и сахар, C ₁₂ H ₂₂ O 9.0080 11 .

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Кристаллы бромида ртути.

Некоторые ковалентные вещества ведут себя как слабые электролиты — их растворы пропускают только небольшой ток, но он больше, чем у чистого растворителя. Примером является хлорид ртути (II) (показан на рисунке выше). Для раствора 100- M HgCl ₂ показание счетчика показывает лишь около 0,2% тока по сравнению с раствором 0,10 M NaCl. Кристалл HgCl ₂ состоит из дискретных молекул, подобных показанным для HgBr 9.- \номер\]

(Двойные стрелки указывают на то, что ионизация протекает лишь в ограниченной степени и достигается равновесное состояние.) Поскольку только 0,2 процента HgCl ₂ образует ионы, всего около 0,2% от тока 0,10 M NaCl.

Измерения электропроводности могут сказать нам больше, чем просто о том, является ли вещество сильным, слабым или неэлектролитом. Рассмотрим, например, данные в таблице \(\PageIndex{1}\), в которой показан электрический ток, проводимый через различные водные растворы при одинаковых условиях. При относительно низкой концентрации 0,001 M растворы сильных электролитов проводят в 2500–10 000 раз больше тока, чем чистый H ₂ O, и примерно в 10 раз больше, чем слабые электролиты HC ₂ H ₃ O ₂ (уксусная кислота ) и NH ₃ (аммиак).

Более внимательное изучение данных для сильных электролитов показывает, что некоторые соединения, содержащие группы H или OH [такие как HCl или Ba(OH) ₂ ], проводят необычно хорошо. Если исключить эти соединения, мы обнаружим, что электролиты 1:1 (соединения, состоящие из равного количества ионов +1 и ионов -1) обычно проводят примерно вдвое меньше тока, чем электролиты 2:2 (ионы +2 и -2). Электролиты 1:2 (ионы +1 и -2) или электролиты 2:1 (ионы +2 и -1).

ТАБЛИЦА \(\PageIndex{1}\): Электрический ток, проводимый через различные 0,001 М водные растворы при 18°C.*
Вещество	Ток/мА	Вещество	Ток/мА
Чистая вода		1:2 Электролиты
Н ₂ О	3,69 x 10 ^-4	Na ₂ SO ₄	2,134
Слабые электролиты		Na ₂ CO ₃	2,24
HC ₂ H ₃ O ₂	0,41	К ₂ СО ₃	2,660
НХ ₃	0,28	2:1 Электролиты
1:1 Электролиты		MgCl ₂	2,128
NaCl	1,065	CaCl ₂	2,239
НаИ	1,069	SrCl ₂	2,290
KCl	1,273	BaCl ₂	2,312
КИ	1 282	Ба(ОН) ₂	4,14
AgNO ₃	1. 131	2:2 Электролиты
HCl	3,77	MgSO ₄	2,00
HNO ₃	3,75	CaSO ₄	2,086
NaOH	2,08	CuSO ₄	1,97
КОН	2,34	ZnSO ₄	1,97

* Все измерения относятся к cel1, в котором расстояние между электродами составляет 1,0 мм, а площадь каждого электрода составляет 1,0 см². Для получения табличных токов применяется разность потенциалов 1,0 В.

Этому есть простая причина. В сходных условиях большинство ионов перемещаются в воде с сопоставимыми скоростями. Это означает, что ионы, подобные Mg ²⁺ или SO ₄ ^2–, которые имеют двойной заряд, будут проводить через раствор вдвое больший ток, чем однозарядные ионы, такие как Na ⁺ или Cl ^–. Следовательно, 0,001 М раствор электролита 2:2, такого как MgSO ₄, будет проводить примерно в два раза лучше, чем 0,001 М раствор электролита 1:1, такого как NaCl.

Аналогичный аргумент применим к растворам электролитов 1:2 и 2:1. Раствор типа 0,001 М NA ₂ SO ₄ проводит примерно вдвое больше, а 0,001 M NACL частично, потому что в два раза больше NA ^—, доступных для перемещения, когда аккумулятор связан, но также потому, что так ₄ ^{2. – Ионы} несут вдвое больший заряд, чем ионы Cl ^– при движении с той же скоростью. Эти различия в проводимости между различными типами сильных электролитов иногда могут быть очень полезными при принятии решения о том, какие ионы действительно присутствуют в данном растворе электролита, как ясно показывает следующий пример.

На основании данных таблицы \(\PageIndex{1}\) можно сделать второй, чуть более тонкий вывод. Когда электролит растворяется, каждый тип ионов вносит независимый вклад в ток, проводимый раствором. В этом можно убедиться, сравнив NaCl с KCl, а NaI с KI. В каждом случае соединение, содержащее K ⁺, проводит примерно на 0,2 мА больше, чем соединение, содержащее Na ⁺. Если применить это наблюдение к Na ₂ CO ₃ и K ₂ CO ₃ , каждая из которых образует в растворе в два раза больше ионов Na ⁺ или К ⁺, мы находим, что разница в токе также вдвое больше — около 0,4 мА.

Таким образом, измерения электропроводности подтверждают наше утверждение о том, что каждый ион проявляет свои характерные свойства в водных растворах, независимо от присутствия других ионов. Одним из таких характерных свойств является количество электрического тока, которое может нести данная концентрация определенного типа иона.

Пример \(\PageIndex{1}\): Ионы

При 18°C 0,001- М водный раствор гидрокарбоната калия, KHCO ₃, проводит ток 1,10 мА в ячейке того же конструкции, использованной для получения данных в таблице 11.1. Какие ионы присутствуют в растворе?

Раствор

Ссылаясь на Таблицу 6.2, в которой перечислены возможные многоатомные ионы, мы можем прийти к трем возможным вариантам ионов, из которых состоит KHCO ₃:

К ⁺ и Н ⁺ и С ⁴⁺ и три О ^2–

K ⁺ и H ⁺ и CO ₃ ^2–

K ⁺ и HCO ₃ ^–

Поскольку ток, проводимый раствором, находится в диапазоне от 1,0 до 1,3 мА, характерном для электролитов 1:1, вариант c является единственным разумным выбором.

Эта страница под названием 11.2: Ионы в растворе (электролиты) распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0, авторами, ремиксами и/или кураторами являются Эд Витц, Джон В. Мур, Джастин Шорб, Ксавье Прат-Ресина. , Тим Вендорф и Адам Хан.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия

Раздел или страница

Автор

ХимПРАЙМ

Лицензия

СС BY-NC-SA

Версия лицензии

4,0

Показать страницу TOC

№ на стр.