Ćwiczenie 11: Prędkość migracji jonów

Ćwiczenie nr 11
PRĘDKOŚĆ MIGRACJI JONÓW
Aparatura
Zasilacz regulowany, komora do wędrówki jonów, multimetr cyfrowy, stoper cyfrowy, roztwory
nadmanganianu potasu oraz azotan potasu.
Rys. 1 Układ pomiarowy
Przebieg ćwiczenia
A. Część doświadczalna
1. Ustawić komorę do wędrówki jonów dokładnie w pozycji poziomej posługując się umieszczoną na
komorze poziomicą.
2. Podłączyć zasilacz do komory z podziałkami – biegun dodatni (czerwony przewód) do anody oraz
biegun ujemny (niebieski przewód) do katody.
3. Wykonać pomiar wykorzystując następujące roztwory KMnO4 o stężeniu 0,015 [M] oraz KNO3 o
stężeniu 0,0025 [M]
A) W celu przeprowadzenia pomiaru należy najpierw nałożyć na rowek (pomiędzy anodą, a katodą)
płytkę nakrywającą. Następnie napełniać otwór położony przy anodzie (przy pomocy pipety
jednorazowej) roztworem KNO3. Ze względu na efekt kapilarny rozpocznie się wypełnianie
powstałej przestrzeni w kierunku katody (zaleca się delikatne poruszanie płytki nakrywającej w
kierunku anoda-katoda w celu przyspieszenia oraz równomiernego rozprowadzenia roztworu KNO3
w rowku), należy zatrzymać napełnianie otworu przy anodzie w momencie kiedy roztwór KNO3
osiągnie brzeg otworu położonego obok katody.
UWAGA: Roztwór KNO3 nie powinien znajdować się w otworze przy katodzie przed
przeprowadzeniem pomiarów !
Przy pomocy drugiej pipety napełniać roztworem KMnO4 otwór położony przy katodzie, aż do
wysokości rowka pomiędzy anodą i katodą (jeżeli nie powstanie styk pomiędzy roztworami należy
uzupełniać roztwór KNO3 aż do uzyskania styczności).
B) Ustawić na zasilaczu regulowanym napięcie 20 [V] – sprawdzić napięcie na multimetrze cyfrowym.
Aniony nadmanganianu zaczną migrować w kierunku anody szeroką „kolumną”. Kiedy czoło
osiągnie pierwszą podziałkę (na komorze do migracji jonów) uruchomić stoper. Następnie
rejestrować czasy kiedy czoło kolumny roztworu osiągać będzie kolejne podziałki na komorze,
otrzymane wyniki wpisać do tabeli w punkcie numer 1 w formularzu ćwiczeniowym. Po
zanotowaniu wszystkich wyników należy wyłączyć zasilanie na zasilaczu regulowanym, a następnie
oczyścić komorę do migracji jonów.
4. Wykonać pomiary czasu przemieszczenia się czoła kolumny anionów MnO między dwoma
najbliższymi podziałkami skali znajdującej się na komorze. Do pomiarów wykorzystać zestawy
roztworów z tabeli numer 1. Odczytane wyniki zanotować w formularzu ćwiczeniowym w punkcie 3.
Sam sposób przeprowadzenia doświadczenia jest identyczny jak w punkcie numer 3. Po zakończeniu
pomiarów wyłączyć zasilacz oraz oczyścić komorę do wędrówki jonów.
Numer pomiaru
KMnO4 [M]
KNO3 [M]
1
0,030
0,0050
2
0,060
0,0100
3
0,120
0,0200
Tabela numer 1. Kombinacje roztworów użytych w pomiarach.
B. Opracowanie wyników
5. Sporządzić wykres s=f(t) na papierze milimetrowym. Następnie na podstawie sporządzonego wykresu
wyznaczyć prędkość średnią unoszenia jonów.
6. Obliczyć ruchliwość jonów (wykorzystując wzory z części teoretycznej) – wynik należy zanotować w
punkcie 2 formularza ćwiczeniowego.
7. Sporządzić wykres zależności ruchliwości jonów od stężenia roztworu F(C)=U. Następnie na podstawie
sporządzonego wykresu wyznaczyć prędkość graniczną unoszenia jonów.
8. Obliczyć promień efektywny jonów nadmanganianu (wzory w części teoretycznej) – wynik należy
zanotować w punkcie 4 formularza ćwiczeniowego w jednostkach [m] i [Å].
Wymagane wiadomości teoretyczne
1. Ruch jednostajny prostoliniowy:
a. definicja ruchu jednostajnego prostoliniowego, parametry ruchu i ich jednostki
b. wykresy drogi i prędkości w zależności od czasu
c. wyznaczanie wartości prędkości średniej na podstawie wykresu
d. przeliczanie jednostek prędkości średniej, np. mm · s-1 na km · h-1
2. Opis ruchu w cieczy obiektu w kształcie kuli, ze stałą prędkością:
a. siła oporu (siła tarcia wewnętrznego, siła lepkości)
b. wzór Stokesa dla omawianego przypadku
3. Natężenie (E) pola elektrycznego i potencjał (U) pola elektrycznego, definicja i jednostki tych
wielkości fizycznych. Związek między natężeniem i potencjałem pola elektrycznego.
4. Ruch jonów w polu elektrycznym:
a. siła elektryczna działająca na jon w polu elektrycznym, podać wzór
b. wyjaśnienie różnicy między średnią prędkością migracji jonu oraz ruchliwością jonu
c. wyprowadzenie niezbędnego do obliczeń wzoru na ruchliwość (u) jonu
d. definicja granicznej ruchliwości (u0) jonu
e. metoda wyznaczania granicznej wartości ruchliwości (u0) danego jonu
f.
wyprowadzenie niezbędnego do obliczeń wzoru na hydrodynamiczny (efektywny) promień
jonu
Literatura
1. Cz. Bobrowski, „Fizyka – krótki kurs”, WNT, Warszawa 1993.
2. S. Miękisz, A Hendrich, „Wybrane zagadnienia z biofizyki” Volumed, Wrocław 1998, Wstęp do
rozdziału 4.
3. „Ćwiczenia laboratoryjne z biofizyki”, Skrypt dla studentów medycyny, Akademia Medyczna we
Wrocławiu, Wrocław 2002.
Uniwersytet Medyczny
we Wrocławiu
Katedra Biofizyki
Zakład Biofizyki
Ćwiczenie 11
Prędkość migracji jonów
.......................................................
.......................................................
Imiona i nazwiska studentów
Wydział:
Grupa studencka:
Grupa ćwiczeniowa:
Podpis prowadzącego ćwiczenia
Data
Stopień zaliczenia
.
1.
Wykreślić na papierze milimetrowym wykres przebytej drogi od czasu.
Położenie
Odległość [cm]
Czas [s]
Prędkość średnia migracji jonów:
2.
Ruchliwość jonów dla C = 0,015 [M]:
3.
Wykreślić na papierze wykres ruchliwości jonów od stężenia roztworu.
Stężenie KMnO4 [M]
0,03
0,06
0,12
Czas [s]
Ruchliwość graniczna jonów:
4.
[m]
[Å]
Promień efektywny jonów:
Współczynnik lepkości wody = 1,009 ∙ 10
Ładunek elementarny = 1,602 ∙ 10
∙
∙ ∙
u [cm2V-1s-1]