jak zmienia się opór elektryczny roztworów soli w zale¯noœci od ich

CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
29.
JAK ZMIENIA SIÊ OPÓR ELEKTRYCZNY ROZTWORÓW SOLI
W ZALE¯NOŒCI OD ICH STʯENIA?
1. Realizowane treœci podstawy programowej
Przedmiot
Realizowana treϾ podstawy programowej
Matematyka
Uczeñ:
5.4 stosuje obliczenia procentowe do rozwi¹zywania problemów w kontekœcie praktycznym
8.1 zaznacza w uk³adzie wspó³rzêdnych na p³aszczyŸnie punkty o danych
wspó³rzêdnych
8.4 odczytuje i interpretuje informacje przedstawione za pomoc¹ wykresów
funkcji (w tym wykresów opisuj¹cych zjawiska wystêpuj¹ce w przyrodzie,
gospodarce, ¿yciu codziennym)
Fizyka
4.9 pos³uguje siê pojêciem oporu elektrycznego
4.12 buduje proste obwody elektryczne
8.8 sporz¹dza wykres na podstawie danych z tabeli (oznaczenie wielkoœci i
skali na osiach), a tak¿e odczytuje dane z wykresu
Chemia
5.6 prowadzi obliczenia z wykorzystaniem pojêæ: stê¿enie procentowe, masa
substancji, masa rozpuszczalnika, masa roztworu, gêstoœæ
2. Kszta³cone kompetencje
Kompetencje matematyczne i podstawowe kompetencje naukowo techniczne.
3. Cele zajêæ blokowych
Sporz¹dzenie wykresu zale¿noœci oporu elektrycznego od stê¿enia soli
4. Oczekiwane osi¹gniêcia ucznia
strona 34
u
u
u
u
u
pos³uguje siê wag¹, sprzêtem i szk³em laboratoryjnym,
wykonuje roztwory o œciœle okreœlonym stê¿eniu procentowym,
wykonuje pomiary z zastosowaniem miernika (multimetru),
przedstawia wyniki pomiarów w formie wykresu,
interpretuje wykres.
5. Przyk³adowe rozwi¹zania
Uczniowie powinni byæ podzieleni na grupy 2 lub 3 osobowe. Poni¿ej przedstawiono wykaz
pomocy dla jednej grupy
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
1. Wykaz pomocy dydaktycznych
Lp.
Pomoc dydaktyczna
IloϾ sztuk
1
waga (co najmniej 1 dla wszystkich)
1
2
miernik elektroniczny – omomierz z przewodami
1
3
chlorek potasu KCl
10 g
4
woda destylowana lub demineralizowana
ok. 1 dm3
5
cylinder miarowy 100 cm3
1
6
kolbki miarowe 100 cm3 lub inne naczynka – zale¿y od metodologii 7 szt.
przyjêtej przez uczniów
7
pisak do szk³a
1 szt.
8
zlewki
2 szt.
9
krystalizator
1 szt.
10 elektrody grafitowe lub inne
2 szt.
11 bagietka
1 szt.
12 drobny sprzêt: spinacze, ¿abki
po 2 szt.
13 statyw
1 szt.
2. Proponowany przebieg zajêæ z rozliczeniem czasowym
Czas
trwania
w min
Opis kolejnych dzia³añ
1
Podzielenie uczniów na grupy, przypomnienie przepisów BHP, Regulaminu Pracowni.
5
2
Zad. 1. Budowa naczynka pomiarowego i stworzenie
uk³adu pomiarowego z miernikiem.
20
3
Zad. 2. Przygotowanie serii roztworów o ró¿nych
stê¿eniach KCl.
20
4
Zad. 3. Pomiar oporu poszczególnych roztworów.
15
5
Zad. 4. Sprz¹tanie stanowiska pomiarowego.
10
6
Zad. 5. Narysowanie wykresu zale¿noœci oporu od
stê¿enia badanego elektrolitu.
10
7
Zad. 6. Interpretacja wykresu, kalkulacja kosztów.
10
Ca³kowity czas trwania bloku
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
90
strona 35
Uwagi do realizacji dla
nauczyciela
Lp.
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
Zadanie 1.
Budowa naczynka pomiarowego i stworzenie uk³adu pomiarowego z miernikiem.
Nale¿y zwróciæ uwagê, aby elektrody znajdowa³y siê zawsze w tej samej odleg³oœci od siebie.
Mo¿liwe dwa przyk³adowe rozwi¹zania:
1. elektrody s¹ umocowane na sta³e do naczynka (krystalizatora) za pomoc¹ spinaczy lub
klamer do bielizny.
2. elektrody s¹ przymocowane do statywu, jednak¿e w tym wypadku nale¿y zadbaæ, aby by³y
dobrze odizolowane od czêœci metalowych statywu (mo¿na zapytaæ uczniów dlaczego).
Nale¿y dopilnowaæ, aby przewody pomiarowe z miernika (omomierza) mia³y bardzo dobry
kontakt z elektrodami.
Poni¿ej przedstawiono przyk³adowe zdjêcie rozwi¹zania nr 1.
Zadanie 2.
strona 36
Przygotowanie serii roztworów o ró¿nych stê¿eniach KCl.
Stê¿enie ka¿dego kolejnego roztworu jest mniejsze dok³adnie o po³owê. Najprostsz¹ metod¹
uzyskania serii tych roztworów jest rozcieñczanie o po³owê ka¿dego kolejnego roztworu.
Mo¿liwe dwa przyk³adowe rozwi¹zania:
1. rozcieñczanie przy u¿yciu wagi (dope³nianie do 100g),
2. rozcieñczanie do objêtoœci 100 cm3 – nale¿y przedyskutowaæ z uczniami.
Stê¿enie procentowe odnosi siê do masy roztworu, a wiêc wszystkie roztwory powinny byæ
wykonane przy u¿yciu wagi. Jednak¿e gêstoœci tych roztworów niewiele ró¿ni¹ siê od jednoœci
(patrz tabelka poni¿ej) i nie pope³ni siê znacz¹cego b³êdu, je¿eli zamiast uzupe³niaæ wod¹
destylowan¹ do 100g, rozcieñczenie bêdzie wykonane w cylindrze miarowym – uzupe³nione
wod¹ do 100 cm3 (zamiast 100g).
Stê¿enie %
KCl
NaCl
1
1,005
1,005
2
1,011
1,012
5
1,031
1,034
10
1,063
1,071
Tabela1. Gêstoœæ wodnych roztworów wybranych soli [Z. Dobkowska, K.M. Pazdro, WSiP Warszawa 1986].
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
Zadanie 3.
Pomiar oporu poszczególnych roztworów.
Uczniowie nie powinni pozostawiaæ zbyt d³ugo w³¹czonego miernika z pod³¹czonymi elektrodami (szczególnie, gdy s¹ one wykonane z metalu), gdy¿ mo¿e nastêpowaæ elektroliza oraz
rozpuszczanie materia³u elektrod. Przy u¿yciu innych soli, lub wiêkszych stê¿eñ elektrolitu
mo¿e wyst¹piæ zjawisko ponownego wzrostu oporu elektrycznego dla wysokich stê¿eñ soli.
Mo¿na zasugerowaæ, aby uczniowie nie p³ukali naczynek wod¹ destylowan¹ pomiêdzy poszczególnymi roztworami, poniewa¿ przy pomiarze od najmniejszego do najwiêkszego stê¿enia
mniejszy b³¹d zostanie wprowadzony, je¿eli w naczynku pozostanie kilka kropli roztworu
o mniejszym stê¿eniu, ni¿ gdy pozostanie woda destylowana po p³ukaniu (o stê¿eniu KCl
równym 0%). Je¿eli uczniowie po ka¿dym pomiarze dok³adnie p³ukali i osuszali naczynko
z elektrodami, nale¿y z nimi teoretycznie rozwa¿yæ powy¿szy problem.
Zadanie 5.
Narysowanie wykresu zale¿noœci oporu od stê¿enia badanego elektrolitu.
Poni¿ej zamieszczono przyk³adowy wykres badanej zale¿noœci.
1200
800
600
400
200
0
0
5
15
10
20
25
Stê¿enie % KCl
strona 37
Opór elektryczny [kW]
1000
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
6. Karta pracy ucznia
Drogi Uczniu!
Ju¿ wiesz, ¿e czysta woda (woda destylowana lub demineralizowana) nie przewodzi pr¹du
elektrycznego. Wiesz tak¿e, ¿e roztwory wodne kwasów, zasad i soli przewodz¹ pr¹d elektryczny – s¹ to tzw. elektrolity.
Nie bêdziesz siê uczy³ w gimnazjum o wielkoœci fizycznej, zwanej przewodnictwem (jej jednostk¹ jest simens (s)), jednak¿e bardzo dobrze znasz ju¿ jej odwrotnoœæ – czyli opornoœæ (któr¹
mierzymy w omach (W)).
W dzisiejszym æwiczeniu, Twoim zadaniem bêdzie przygotowanie uk³adu pomiarowego oraz serii
roztworów soli (np. chlorku potasu KCl) o ró¿nym stê¿eniu i pomiar ich oporu elektrycznego.
Zadanie 1.
strona 38
Budowa naczynka pomiarowego i stworzenie uk³adu pomiarowego z miernikiem.
Do budowy naczynka pomiarowego mo¿esz u¿yæ niewielkiego krystalizatora lub zlewki (o pojemnoœci od 50 do 100 cm3). Bêdziesz tak¿e potrzebowa³ dwóch elektrod (mog¹ byæ to elektrody wykonane z grafitu, miedzi lub ¿elaza). Elektrody musz¹ byæ wzglêdem siebie nieruchome.
Na rysunku poni¿ej przedstawiony jest schemat po³¹czenia przewodów. Spróbuj wykonaæ
pomiar opornoœci tak wykonanego uk³adu na maksymalnym zakresie pomiarowym (np.
2000 kW). Miernik powinien wyœwietliæ nieskoñczonoœæ lub b³¹d pomiaru. Nastêpnie, za
pomoc¹ metalowego drucika, po³¹cz na moment ze sob¹ elektrody – je¿eli miernik wska¿e
liczbê blisk¹ zeru lub zero, to Twoje naczynko pomiarowe jest gotowe!
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
Zadanie 2.
Przygotowanie serii roztworów o ró¿nych stê¿eniach KCl.
Maj¹c do dyspozycji: wagê, cylindry miarowe, kolby miarowe (o V = 100 cm3), drobny sprzêt
laboratoryjny (szkie³ka zegarkowe, naczynka wagowe, lejki, bagietki), wodê destylowan¹ oraz
sta³y (krystaliczny) chlorek potasu (KCl), wykonaj 7 roztworów o nastêpuj¹cych stê¿eniach soli:
10%, 5%, 2,5%, 1,25%, 0,62%, 0,31%, 0,16%.
Zwróæ uwagê, ¿e stê¿enie ka¿dego kolejnego roztworu jest mniejsze dok³adnie o po³owê!
Wykorzystaj to!!
Zadanie 3.
Pomiar oporu poszczególnych roztworów.
Zacznij pomiar od wody destylowanej, a nastêpnie zmierz opornoœæ poszczególnych roztworów w kolejnoœci od roztworu o najni¿szym stê¿eniu. Pamiêtaj, zaznacz na naczynku
pomiarowym pisakiem, do jakiej wysokoœci nalewasz roztwory! Dla wszystkich pomiarów
wysokoœæ cieczy w naczynku musi byæ identyczna! Wyniki zanotuj w tabeli poni¿ej. W trakcie
pomiarów staraj siê nie zmieniaæ zakresu pomiarowego miernika. Je¿eli wielkoœæ wyœwietlana
na mierniku nie bêdzie stabilna (bêdzie zmienia³a siê w czasie) zapisuj wartoœæ po up³ywie np.
10 sekund od nalania do naczynka danego roztworu.
Stê¿enie %
Opór elektryczny
Woda destylowana
0,16
0,31
0,62
1,25
2,5
5
10
Zadanie 4.
Zakoñczy³eœ ju¿ wszystkie pomiary. Posprz¹taj teraz dok³adnie swoje stanowiska pracy, rozmontuj naczynko pomiarowe i umyj szk³o laboratoryjne, którego u¿ywa³eœ.
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
strona 39
Sprz¹tanie stanowiska pomiarowego.
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
Zadanie 5.
Narysowanie wykresu zale¿noœci oporu od stê¿enia badanego elektrolitu.
Narysuj poni¿ej wykres zale¿noœci oporu od stê¿enia badanego elektrolitu. Na osi „x” (odciêtych) nanieœ wartoœci stê¿enia badanych soli (dla wody destylowanej przyjmij stê¿enie równe 0),
a na osi „y” (rzêdnych) nanieœ wartoœci oporu otrzymane z pomiarów. Po³¹cz zaznaczone
punkty lini¹.
strona 40
Zadanie 6.
Interpretacja wykresu, kalkulacja kosztów.
Patrz¹c na wykres powy¿ej, napisz odpowiedŸ na poni¿sze pytania:
a) Czy otrzymany wykres jest prostoliniowy?
.................................................................................................................................................
b) Czy wraz ze wzrostem stê¿enia soli opór roœnie czy te¿ maleje?
.................................................................................................................................................
c) Spróbuj swoimi s³owami opisaæ zale¿noœæ przedstawion¹ na wykresie.
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
d) Czy p³uka³eœ naczynko i elektrody wod¹ destylowan¹ pomiêdzy nalewaniem poszczególnych roztworów? Je¿eli ich nie p³uka³eœ, to post¹pi³eœ prawid³owo. Wyjaœnij, dlaczego
takie dzia³anie by³o w tym wypadku s³uszne. Mo¿esz siê skonsultowaæ z nauczycielem.
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
Kalkulacja kosztów wykonania eksperymentu
Lp.
Pomoc dydaktyczna
IloϾ sztuk
Cena
Cena ³¹czna
jednostkowa
1
2
3
4
5
6
Suma kosztów
Oszacowanie kosztów pracy
Czas
wykonania
(h)
Lp.
Zadanie
1
Budowa naczynka pomiarowego.
2
Przygotowanie serii
roztworów o ró¿nych
stê¿eniach KCl.
3
Pomiar oporu.
4
Pozosta³e dzia³ania.
Liczba osób
£¹cznie
Cena osoboosobogodzin
godziny
pracy
pracy (z³)
Koszt
strona 41
Suma:
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego