LU08 - Elektrolytický vodič

Pomůcky

• Systém ISES, moduly: voltmetr, ampérmetr, sada rezistorů, zdroj regulovatelného elektrického napětí (např. PS – 302A),
• kyveta, měděné elektrody s držáky, smirkový papír, voda, kyselina sírová,
• pipeta, 6 spojovacích vodičů, pravítko, pracovní plášť,
• soubory: elyt1.imc, elyt2a.imc, elyt2b.imc, elyt3.imc.

Úkoly

1. Proměřit závislost odporu vody na vzdálenosti ponořených elektrod. Nakreslit graf: Závislost odporu vody na vzdálenosti elektrod.
2. Proměřit voltampérovou charakteristiku elektrolytického vodiče – roztok kyseliny sírové ve vodě. Sestrojit graf: Voltampérová charakteristika elektrolytu (H₂SO₄ ve vodě), z grafu určit rozkladné napětí U_r.
3. Pozorovat děje na elektrodách a polarizační napětí.

Teorie

Pro oba úkoly bude sloužit společné zapojení podle následujícího obrázku.

V grafu udává směrnice přímky odpor v kiloohmech a v grafu udává směrnice vodivost v milisiemens. Nastavení:
elyt1.imc: start krokový (13 kroků), panel č.1 – graf U=f(I) napětí U od 0 V do 10 V, proud I od 0 mA do 20 mA.
elyt2a.imc: čas 60 s, 10 Hz, start automatický, panel č.1 – graf I=f(t) proud od 0 mA do 10 mA, panel č.2 – proud 0 mA až 10 mA digitálně (1 desetinné místo), panel č.3 –napětí 0 V až 10 V digitálně (1 desetinné místo).
elyt2b.imc: čas 60 s, 10 Hz, start automatický, panel č.1 – graf I=f(t) proud I od 0 mA do 100 mA, panel č.2 – proud 0 mA až 100 mA digitálně (1 desetinné místo), panel č.3 –napětí 0 V až 10 V digitálně (1 desetinné místo).
elyt3.imc: čas 300 s, 10 Hz, start automatický, panel č.1 – napětí 0 V až 100 mV digitálně (1 desetinné místo), panel č.2 – graf U=f(t) napětí U od 0 V do 100 mV.

Provedení

1. úkol

Nejprve je třeba smirkem očistit elektrody, aby se odstranila zoxidovaná vrstva.

Na modulu voltmetr nastavíme rozsah 10 V s nulou na kraji a zasuneme do kanálu A. Na ampérmetru nastavíme rozsah 100 mA s nulou na kraji a zasuneme do kanálu B. Sestavíme měřicí aparaturu, použijeme rezistor R = 2 kΩ. Do kyvety nalijeme asi 200 ml vody z vodovodu. Elektrody ponoříme co nejvíce. Nastavíme jejich vzdálenost na 8 cm. Elektrický zdroj nezapínáme!

Učitelský počítač musí být spuštěný. Poklepáním na „Software G“ si zpřístupníme potřebné soubory a spustíme ISES. Založíme nový experiment a z adresáře Katedra\software\ises načteme do konfigurace „elyt1.imc“. Požádáme vyučujícího o kontrolu!

NEJDŮLEŽITĚJŠÍ JE KONTROLA AMPÉRMETRU – ROZSAH 100 mA!

Spustíme měření. Při vypnutém zdroji je třeba provést pomocí ENTER několik kroků. Na obrazovce je připraven graf – závislost mezi proudem a napětím. Body se zatím umísťují poblíž nuly.

Nyní zapneme zdroj a pomocí zelených šipek zvolíme opakování experimentu. Zvyšujeme napětí (po zhruba dvou voltech) a sledujeme, že body se v grafu řadí přibližně do přímky. Její směrnice určuje odpor mezi elektrodami.

Po skončení nastavených kroků provedeme aproximaci přímkou. Slouží k tomu ikony: „Po skončení nastavených kroků provedeme aproximaci přímkou. Slouží k tomu ikony: „Zpracování dat“ , „Klouzavý odečet“ , „Aproximace“ „Přímkou“.

Protože proud je v miliampérech a platí , udává směrnice odpor vody v kiloohmech.

Odpor vody zapíšeme do tabulky č.1 a upravíme vzdálenost elektrod na 7 cm.

Staré údaje vymažeme vždy pomocí ikony “Smazání výsledků” .

Mezi výsledky zpracování se přepíná ikonami a .

Měření opakujeme pomocí zelených šipek až do vzdálenosti elektrod 2 cm.

2. úkol

Na ampérmetru nastavíme rozsah 10 mA, použitý rezistor má tentokrát odpor 500 Ω. Pomocí červených šipek zvolíme nahrazení experimentu a do konfigurace načteme z katedry soubor „elyt2a.imc“.

Požádáme vyučujícího, aby přidal do kyvety roztok H₂SO₄. (jde zhruba o desetiprocentní roztok kyseliny sírové ve vodě; z něhož se naberou 4 ml). Roztok promícháme – POZOR ! PRÁCE S ŽÍRAVINOU ! Elektrody vzdálíme na 8 cm a spustíme měření.

V horním okně se kreslí graf – závislost proudu na čase, ve středním okně se digitálně zobrazuje proud a v dolním okně je údaj o napětí mezi elektrodami. Na zdroji použijeme nastavovací knoflíky označené „COARSE“ (hrubě) a „FINE“ (jemně), abychom nastavili napětí 0,1 V a sledujeme průběh proudu.

Měření je nastaveno na 1 minutu (viz horní okno), aby se ustálily poměry na elektrodách, které se průchodem proudu polarizují. Do tabulky č. 2 proto zapisujeme hodnotu proudu až těsně před vypršením minuty. V průběhu experimentu je třeba regulovat napětí tak, aby byla dodržena předepsaná hodnota.

Zelenými šipkami zvolíme opakování experimentu a zvýšíme napětí o 0,1 V. Postup opakujeme až do napětí 1,2 V. Pak je třeba změnit rozsah ampérmetru na 100 mA, zvolit opakování červenými šipkami, načíst „elyt2b.imc“ a pokračovat v měření, abychom vyplnili tab. č. 2 a mohli sestrojit voltampérovou charakteristiku elektrolytu.

Pozn: Pokud by proud 10 mA byl překročen již při nižším napětí, je třeba přepnout na 100 mA a načíst „elyt2.imc“ také dříve.

3. úkol

Odpor 500 Ω zaměníme za 10 Ω, elektrody přiblížíme na 2 cm, ampérmetr přepneme na rozsah 1 A. Zelenými šipkami zvolíme „opakování experimentu“. Napětí zdroje zvýšíme na 9 až 9,9 V . Při procházejícím proudu si pozorně prohlédneme obě elektrody. Do protokolu zapíšeme, čím se liší a teoreticky zdůvodníme.

Necháme asi pět minut procházet proud. Pak načteme do konfigurace „elyt3.imc“, vypneme elektrický zdroj, odpojíme od něho dva přívodní vodiče, přepneme voltmetr na rozsah 0,1 V a spustíme měření.

Na obrazovce je digitální údaj o napětí v jednotkách milivolty. Přestože je odpojen zdroj, mezi elektrodami existuje polarizační napětí – vytvořili jsme galvanický článek. V dolním okně se kreslí závislost polarizačního napětí na čase. Zapíšeme do závěru, jakých dosahovalo hodnot a jak se měnilo.

Po ukončení měření je třeba elektrody opláchnout vodou a osušit.

Protokol

Název: Elektrolytický vodič
Pomůcky:
Teorie:
Vypracování:

Tabulka č. 1: Závislost odporu vody na vzdálenosti elektrod

Č. měření	1	2	3	4	5	6	7
l cm	8	7	6	5	4	3	2
R kΩ	. , . .	. , . .	. , . .	. , . .	. , . .	. , . .	. , . .

Graf: Závislost odporu vody na vzdálenosti elektrod.

Tabulka č. 2: Voltampérová charakteristika elektrolytu (H₂SO₄ + H₂O)

Č. měření	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23
U V	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .
I mA	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. , .	. . , .	. . , .	. . , .	. . , .	. . , .	. . , .	. . , .	. . , .	. . , .	. . , .

Graf: Voltampérová charakteristika elektrolytu (H₂SO₄ ve vodě).

Z grafu určené rozkladné napětí:	Ur = . , . V
Z grafu určená směrnice:	G = . . , . . mS,	R = . , . . . kΩ

Závěr:

Diskutovat závislost odporu vody natočené z vodovodu na vzdálenosti ponořených elektrod a voltampérovou charakteristiku elektrolytu (H₂SO₄ ve vodě). Uvést rozkladné napětí. Porovnat, jak se změní odpor vody přikápnutím kyseliny sírové.

Porovnat vzhled dějů na anodě a na katodě – zdůvodnit. Popsat, jak se chovají elektrody po odpojení od zdroje napětí, okomentovat závislost polarizačního napětí na čase.

Výsledky

Tabulka č. 1: Závislost odporu vody na vzdálenosti elektrod

Č. měření	1	2	3	4	5	6	7
l cm	8	7	6	5	4	3	2
R kΩ	0,94	0,80	0,72	0,61	0,54	0,43	0,36

Tabulka č. 2: Voltampérová charakteristika elektrolytu (H₂SO₄ + H₂O)

Č. měření	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23
U V	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,2	2,4	2,6	2,8	3,0	3,5	4,0
I mA	0,1	0,1	0,2	0,4	0,5	0,9	1,5	1,6	1,9	2,9	3,9	5,2	9,7	11,0	14,0	17,6	20,3	23,7	26,3	29,9	32,8	40,6	48,5

Z grafu určené rozkladné napětí:	Ur = 0,8 V
Z grafu určená směrnice:	G = 15,54 mS,	R = 0,064 kΩ

Odlišnost ve vzhledu dějů na elektrodách – zdůvodnění: Katoda je výrazně více pokryta bublinkami plynu (zde jde o vodík) než anoda. Po odpojení zdroje napětí se dvojice elektrod chová jako zdroj o napětí zpočátku např. 70 mV. Tento zdroj má kladný pól na původní anodě a záporný na katodě. Polarizační napětí pozvolna klesá.

Závěr:

Ukázky měřicích obrazovek

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 21.7.2014