CC BY
48
Турсунметов Комилжон Ахметович,
Мирзо У^бек номидаги Узбекистан Миллий университети «Физика» факультети профессори, физика-математика фанлари доктори; Хайруллаев Озодбек Атхамжон у^и,
Мирзо У^бек номидаги Узбекистон Миллий университети «Физика» факультети 4-боскич талабаси;
Шермахматов Акбар Милмахмат у^и,
Мирзо УлуFбек номидаги Узбекистон Миллий университети «Физика» факультети 4-боскич талабаси
электролитларда ионларниг
^аракатчанлигини аниклаш
лаборатория курилмаси
УДК: 537.10.
ТУРСУНМЕТОВ К.А., ХАЙРУЛЛАЕВ О., ШЕРМАХМАТОВ А. ЭЛЕКТРОЛИТЛАРДА ИОНЛАРНИГ ЦАРАКАТЧАНЛИГИНИ АНИК.ЛАШ ЛАБОРАТОРИЯ фРИЛМАСИ
Маколада муаллифлар томонидан ишлаб чикилган электролитларнинг электр хоссаларини, хусусан ионларнинг х,аракат тезлиги ва х,аракатчанлигини аниклашга имкон берувчи нисбатан содда х,амда фойдаланишга кулай булган укув лаборатория курилмаси х,акида сузланган.
Таянч суз ва тушунчалар: электролит, ион, диссоциация, ток, солиштирма каршилик, ионларнинг х,аракатчанлиги.
ТУРСУНМЕТОВ К.А., ХАЙРУЛЛАЕВ О., ШЕРМАХМАТОВ А. УЧЕБНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА, ПОЗВОЛЯЮЩАЯ ОПРЕДЕЛИТЬ ПОДВИЖНОСТЬ ИОНОВ В ЭЛЕКТРОЛИТАХ
В статье описывается разработанная авторами, относительно простая и удобная в применении учебная лабораторная установка, позволяющая определить электрические свойства, в частности, скорость и подвижность ионов на практике.
Ключевые слова и понятия: электролит, ион, диссоциация, ток, удельное сопротивление, подвижность ионов.
TURSUNMETOV K.A., KHAYRULLAEV O., SHERMAKHMATOV A. EDUCATIONAL LABORATORY FACILITY, WHICH ALLOWS TO DETERMINE THE MOBILITY OF IONS IN ELECTROLYTES
There is described in the article detailed feature of the laboratory set which was made by authors of the article, which is convenient in use and easily can to determine the electrical properties particular the velocity and mobility of ions in practice.
Keywords: electrolyte, ions, dissolution, current, specific resistance, mobility of ions.
Кириш.
Физик таълимнинг барча боск,ичларида физи-канинг «Суюк,ликларда электр токи. Электролиз» мавзуси назарий ва амалиётда урганилади. Лекин бу жараёнлар лаборатория машFулотларида урганишнинг имкони чегараланган. Лаборатория курилмалари деярли йук.
Шу сабабали мазкур тадкикотда «Электролит-ларда электр токи» мавзусини физикадан прак-тикумда урганиш имкониятини ургандик. Чунки физикадан практикум физика таълимининг асосий таркибий кисмидир1.
Электролитларнинг вольтампер характеристи-касини урганиш ионларнинг х,аракатчанлигини тавсифлашга ёрдам беради. Ионларнинг х,аракат-чанлигини унинг улчамларига, ташки майдонга боFланган х,олда урганиш эса катор амалий х,амда илмий ах,амиятга эга. Шунинг учун бу муаммо мазкур тажрибада КСг204, КОН, ШО3, КМп04 туз-ларининг дистилланган сувдаги 10%ли эритмаси мисолида урганиш максад килиб куйилди. Куйидаги тажрибаларнинг х,ар бирида калий иони мусбат ион булиб манфий ионлар сифатида бирикмалари катнашади.
Электролитдаги бу жараёнлар температура ва майдон, хусусан электролитдан утган ток кучига боFликl• Шу сабабдан электролитдан утган ток кучи шундай танлансинки, унинг солиштирма кар-шилиги вакт давомида узгармасин. Бир-бирига аралашмайдиган ва диссоциация коеффициенти кичик булган турли рангдаги эритмалардан ток утказиб, унда рангли эритмалар сатх,ининг узга-риши тезлигидан ионларнинг х,аракат тезлигини аниклаш мумкин2. Шу сабабли бу жараёнларга олий укув юртларида электор ва магнитизм буйича физикадан практикумда кам ах,амият берилганлиги х,амда бу мавзу буйича укув лаборатория курилмалари ишлаб чикилмаганлиги учун бу жараённи укувчилар ва талабалар етар-лича ургана олишмаяпти.
Шуларни х,исобга олиб, мазкур тажрибани утказишдан максад эритмадаги ионларнинг х,аракатчанлигини электр майдон таъсирида узгаришини урганишдир. Бу тажрибанинг мазмун-
1 Джораев М. Физика укитиш методикаси. - Т.: ТДПУ, 2013. -394-б.
2 Калашников С.Г. Электр. - Т.: «Ук,итувчи», 1979. -418-442-б.
мох,ияти шундан иборатки, ионларнинг х,ара-катчанлиги майдон кучланганлигининг кичик кийматларида узгармайди, лекин майдон кучланганлигининг етарлича катта кийматларида сези-ларли даражада узгарар экан. Юкоридаги ано-малияни урганиш мак,садида тажриба утказишга карор килдик.
Эритмаларнинг каршилиги ва солиштирма каршилигини улчаш ионларнинг тезлиги ва х,аракатчанлигини бах,олашга ёрдам берувчи укув лаборатория курилмасини ишлаб чик,иш, созлаш х,амда унда ишлаш методикасини ишлаб чикиш мазкур тадкикотнинг асосий мацсади килиб олинди. Турли хилдаги эритмалар тайёрлаб, х,ар хил ток кучининг кийматларида улчов параметр-ларини улчашда имкон берувчи замонавий улчов асбобларини танлаш х,амда умумий улчов электр схемаларини ишлаб чик,иш ва уни амалда синаш х,ам мазкур ишнинг асосий масаласи х,исобланди. Электролитлар саноатнинг турли сох,аларида кенг кулланилади. Кимё саноатида хлор ва ишк,орлар олишда, хлорат, перхлорат, персулфат кислота, калий перманганат, соф х,олдаги водород, фтор ва бошкалар кимматли мах,сулотлар х,осил килишда, рангли металлургияда металларни рафи-нациялашда электролитлардан фойдаланилади. Шунинг учун х,ам ионларнинг х^арактчанлигини урганиш мух,им амалий ах,амиятга эга.
Назарий цисм.
Электролитлар - узидан ток утказиш коби-лиятига эга булган эритмалардир.
Суюкликларда электр токи бу мусбат ва манфий ионларнинг тартибли х,аракатидир. Ионларнинг улчами кичик булгани учун уларни бевосита куриш мумкин эмас.
Диссоциация жараёни эриган модданинг мусбат ва манфий ионларга ажралишидир. Шунинг-дек, эритмаларда электролитик диссоциация жараёни х,амда унга к,арши жараён - ионларнинг рекомбинациясидир, яъни узаро бирикиб нейтрал молекула х,осил килиши мумкин. Элерктролит-ларда ташк,и электр майдон булмаганда х,ам эриган модда диссоциацияга учраган булади. Маса-лан, КОН моддасининг дистилланган сувдаги дис-социацияни курайлик. Бунда сув молекуласи мусбат тарафи билан (водород атоми жойлашган томони билан) ОН- ионига, манфий томони билан
ЗАМОНАВИЙ ТАЪЛИМ / СОВРЕМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 2019, 12(85)
калий ионига таъсир килади, натижада кристалл панжара тугунида турган ионлар орасидаги май-дон заифлашади ва бошка бир каттарок энер-гияли сув молекуласи келиб тук,нашиши натижа-сида бу ионлар бир-биридан ажралиб кетади. Эритувчининг диэлектрик сингдирувчанлиги канча катта булса, ионларнинг орасидаги таъсир кучи шунча осон заифлашади ва натижада осон диссоциацияланади. Шунинг учун х,ам эритувчи сифатида купинча сув олинади, чунки сувнинг диэлектрик сингдирувчанлиги каттадир1.
Электролитлар билан металларнинг электр утказувчанлик жараёнлари бир-бирига ухшашдир. Сабаби электролитларда х,ам, металларда х,ам заряд ташувчилар ташки майдонга боFлик булмаган х,олда х,осил булади. Электролитларда ионлар бир хил таксимланганлиги учун уларнинг концентрация градиенти нолга тенг булади. Элек-тролитларга ташки майдон таъсир этганда майдон таъсирида ионлар х,аракатланиб, дрейф токини юзага келтиради. Мусбат ионларнинг дрейфи натижасида х,осил булган токнинг зичлиги
J+ = п+д+у+
(1)
] = пду
(2)
1 Калашников С.Г. Электр. - Т.: «Ук,итувчи», 1979. -418-442-б.
Ионларнинг эритмадаги х,аракатини тавсифлаш учун ионларнинг х,аракатчанлиги деган тушунча киритилган. Ионларнинг х,аракатчанлиги уларнинг х,акикий тезлигига пропорционал булади. Ионларнинг эритмада 1В/м майдон кучланганлиги таъсирида олган тезлигига тенг булган катталик ионларнинг х,аракатчанлиги (Ь) деб аталади.
Ионнинг х,аракатчанлиги унинг хили, эритувчининг табиати ва температурага ботлик, катталик. Температура ортиши билан ионларнинг х,аракат-чанлиги ортиб боради. Турли ионларнинг х,ара-катчанлиги турлича булгани учун электр токи утганда анод ва катод олдида эритманинг концентрациям х,ам турлича булади. Ионларнинг тезликлари
\у+=Ь+Е IV -Ъ Е
(5)
бу ерда п+ - мусбат ионларнинг концентрацияси - мусбат ионларнинг дрейф тезлиги, - мусбат ион заряди.
Худди шундай манфий ионларнинг дрейфи туфайли токнинг зичлиги
булгани учун (3) ни куйидаги куринишда ёзиш мумкин:
] = пеа{Ъ++Ъ_) Е (6)
(6) да ток зичлиги электр майдон кучланган-лигига туFри пропорционал. Демак, электролитларда х,ам худди металлар сингари Ом конуни уринли экан. Электролитларнинг солиштирма электр утказувчаниги куйидаги куринишда ифо-даланади:
Токнинг тулик зичлиги
7 = Л + Л = пЛлУ+ + пЯУ- (3)
Биз х,ар доим молекулалар 2 ионга диссоциацияланади деб х,исоблаймиз. Шунинг учун мусбат ва манфий ионлар концентрацияси бир-бирига тенг булади:
п+=п_= ап (4) бу ерда а - диссоциация коэффициенти.
X = пеа(Ъ+ +Ь_)
(7)
Чунки у = ХЕ (Ом конунининг дифференциал шакли) (8)
Электролитлар киздирилганда каршилиги камаяди, яъни электролитларда каршиликнинг температуравий коэффициенти манфий булади. Бунинг икки сабаби бор: биринчидан, температура ортганда диссоциация коэффициенти а (ионларга ажралган молекулалар сонининг умумий молекулалар сонига нисбати) ортади, иккинчидан, к,изиганда суюк,ликларнинг к,овушк,ок,лиги камаяди ва шунинг учун ионларнинг х,аракатчанлиги
ЗАМОНАВИЙ ТАЪЛИМ / СОВРЕМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 2019, 12(85)
1-расм. Курилманинг схематик тузилиши.
opтaди. Уз нaвбaтидa opтишигa oлиб кeлaди1.
6У yткaзyвчaнликнинг
Экспериментал цисм.
Мaвжyд экcпepимeнтaл кypилмaлapнинг ишлaш тaмoйили бaжapyвчидaн acocaн эх,тиёт-кopлик ßa тexнoлoгик мox1иpликни тaлaб килaди. Шyнингдeк, уни ишлaтишдa эх,тиёт булиш кepaк, чунки y биpop кyпoл x,apa^^a шишaнинг еиниб Koлиши вa cиcтeмaнинг бузилиб ишдaн чикишигa oлиб кeлиши мумкин2.
Шунинг учун бу кypилмaни йиFишдa тиббиëтдa ишлaтилaдигaн acбoб-ycкyнaлap вa киcмлapдaн фoйдaлaнилaди. Иккитa тиpcaк, acocи 20 мл ли иккитa шпpиц цилиндpи тaшкил килиб, yлapнинг пacтки ^ми учлик - «тpoйниккa» yлaнди. Улaнгaн учинчи учи эca шишa ^н opкaли элeктpoлит эpитмacи coлингaн плacтмacca идишгa нaйчaлap opкaли yлaнгaн.
Kypилмaнинг бapчa киcмлapи йиFишдa эш-лoгик тoзa, кимёвий мoддaлap билaн peaкциягa киpишмaйдигaн тepмик вa мexaник бapкapop мoддa - пoливиниxлopиднинг мoдификaциялaнгaн мaтepиaлидaн тaйëpлaнгaн, элeктpoдлap эca
1 Кблэшниксв С.Г. Элeктp. - Т.: «Укитувчи», 1979. -418-442-б.; Caвeлoв И.В. Умумий физикэ кypcи. II тем. - Т.: «Укитувчи», 1976.
2 Ушэ мaнбaлap.
миcдaн яcaлгaн булиб, yлapни тутиб тypyвчи тoк yлoвчи киcмлap шпpиц кoпкoFигa зич тeгиб тypyвчи плecтиглacдaн яcaлгaн изoлятop иккитa диcкдaн ибopaт (1-pacм).
U-cимoн raprycnap cиcтeмacигa тaxминaн унинг 2|3 ^мига КNО3 эpитмacи (10% мacca бyйичa ) куйилиб, элeктpoдлap тyшиpилиб, унинг
^шилиги R = Koнyниятгa acocaн aниклaнaди.
/
Бизнинг cиcтeмaтик киcм бyйичa R = p— дaн S
^ S
юзaни aниклaб oлaмиз. Бу epдa р - — мyнocaбaт-
X
дaн coлиштиpмa элeктp yткaзyвчaнликни aниклaш мумкин:
j=- = neE(b++b_) = À Е (9) S
вa Я = ne{b+ +b_) = пеЪум (10)
дaн иoнлapнинг умумий x1apaкaтчaнлигини aник-лaш мумкин
1-pacмдa кeлтиpилгaн кypилмaнинг cxeмaтик тyзилишигa acocaн элeктpoлитнинг кapши-лигини
46 ТАЪЛИМ ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ / ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
К=р
Ц , Щ+к)
(11)
"2
формула билан ифодалаш мумкин.
Бу ерда - шприцлардаги электролитлар-
нинг сатх,ини билдиради, /2 = 1[ +1"2 - тирсаклар-гача булган масофалардаги электролит катламининг узунлиги ва у 12- 8.5см булиб бу курилма учун доимийдир.
тег2 3.14-2.6см2 2
Л, =-=-«5.3-10 м
1 4 4
шприц кундаланг доимийдир.
яг 3.14-2.6см
4 4
шприц кундаланг кесим юзаси, „ па1 3.14-0.72 см2
5.3-Ю"4 м2
3.8-10"4 м2
эф
утган ток зичлиги эффектив киймати У -Е = — формула буйича х,исобланди.
ум
Юкоридаги х,ол: и=50В, 1=34.6 мА булганда 50 В
Е =
1ЪЛ0Г2м I ЪА.бмА
= 2.174-10 В/м ва
эф
0.36см
= 9.61-10 А/м
Е
] = ЛЕ = — дан KNО3 эритманинг солиш-
тирма каршилигини аниклаймиз: _Е _ 2.714-102 В/м у ~9.61-102^/М2
= 0.226ом-м га
шприцлар системасини уловчи найларнинг кундаланг кесим юзаси. КЫО3 нинг 10% эритмаси учун р=0.224 ом-м га тенглиги аник,ланди. Бу ерда 11=3см ва /2=8.5сж килиб олинди. Энди солиштирма к,аршиликни х,исоблашни соддалаш-ган формуласини куллаймиз:
Я = рЬи- (12).
эф
Бу ерда 1ум = 21х + 2(4 +1'2) = 23см = 0.23л* I м
деб олсак ва р—(13) дан ни х,исобласак
2 ^ $эф =0.36см эканлиги келиб чикади.
Кейинчалик системадаги электролитлардан
. /
ва
тенг. д
Демак, £г= 0.36см2 деб олиб, \—ЛЕ =— * р
формуладан фойдаланиб, электролитнинг солиштирма каршилигини аниклаш 0.002 Ом-м аникликда булар экан. Шунинг учун
] = — = пег(и+ + о_) = пег(Ь+Е + Ь_ Е) = пегф+ + Ъ_) Е
формуладан фойдаланиб, ва£ = —,
х,амда ионлар К+,N0^,МпО^ ларнинг валент-лиги z=1 деб олиб, ионларнинг умумий
х,аракатчанлиги Ь =Ь++Ь_ =(14) формула
пеЕ
буйича х,исобланади. Агар К+ нинг х,аракатчанлиги барча эритмаларда бир хил, яъни Ь+(К)=6,6910-8 м2/В деб олинса, унда (14) дан манфий ионларнинг х,аракатчанлигини аниклаш мумкин.
Тажриба куйидагича ташкил килиниб утка-зилди. КСг204, КОН, KNO3, КМп04 тузларининг 10% (массали) дистилланган сувдаги эритмалари тайёрланди. Эритмалар воронка ёрдамида бакка куйилди. Сунгра К калит очиб, шприцлар систе-масига (шприцлар х,ажми 50 мл дан) электрод-ларнинг танланган сатх,ларигача электролитлар куйилди. Сунгра системанинг каршилигини аник,лаш учун электродларга кучланиш берилиб, ток кучи улчанди.
Юкори стабиллаш коэффицентли ва кучла-нишни узгартириш имкониятини Б5-50 турдаги узгармас ток манбаидан фойдаланиб бажарилди. Ток кучи юкори аникликда (0.02%), кучланиш ва каршиликни улчай оладиган ракамли тестер ёрдамида улчанди.
Электр майдоннинг КСг204 , КОН, ШО3, КМпО4 эритмаларини солиштирма каршилигига, электр утказувчанлигига таъсирини урганиш учун эрит-
ЗАМОНАВИЙ ТАЪЛИМ / СОВРЕМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 2019, 12(85)
2-расм. Курилманинг электр схемаси.
масса буйича): КСг204 , КОН, ШО3, КМп04 ларнинг дистилланган сувдаги эритмалари тадк,ик, к,илинди ва уларнинг вольтампер характеристикаси таж-рибада олинди. Уларнинг куриниши 3-расмда тасвирланган. Расмлардан куриниб турибдики, КСг204, КОН, KNO3 эритмалари 60-70 В гача булган кучланишларда, КМпО4 эритмаси учун 120 В гача булганда Ом конуни бажарилади, яъни эритмадан утаётган ток кучи куйилган кучланишга тутри про-порционал, лекин катта кучланишларда эритма-ларнинг электр утказувчанлиги электр майдон катталигига мураккаб боFланган. КСг204 ва КОН эритмаларида электр майдон кучланиши 70-80 В дан катта булганда электр утказувчанлиги интенсив ортиб кетади ва улар электр майдон таъсирида бу бирикмаларда диссоция курсаткичи ортиб кетиши билан изохланади.
Аксинча, ШО3 эритмасининг волтьампер характеристикасида туйиниши кузатилади. Бу эса электр майдони ошиши билан ионларнинг харакатчанлиги камайиши билан ботлик,. Буни эса ионларнинг узаро тукнашиш жараёни билан боFлаш мумкин.
Эритмаларнинг вольтампер характеристика-сининг чизикли кисмидан фойдаланиб, ионларнинг харакатчанлиги аникланди ва уларнинг кийматлари адабиётлардаги маълумотлар билан таккосланди. Бунда К+ ионларининг харакат-
ЗАМОНАВИЙ ТАЪЛИМ / СОВРЕМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 2019, 12(85)
манинг вольтампер характеристикаси урга-нилди.
Электролитларда ионлар харакатчанлиги кийматларининг жуда кичик булиши ионларга таъсир килувчи ишк,аланиш кучининг жуда катта эканлигидан далолат беради. Ионларга таъсир килувчи ишкаланиш кучи тезликка пропорционал булади, яъни Р = /у булади, бу ерда / ковушкоклик коэффициенти булиб, турли ионлар учун турлича хамда эритувчиларнинг турига хамда температурасига боFлик. Температура ортса / камаяди, натижада ион тезлиги хамда хара-катчаниги Ь ортади.
Электр майдон кучланганлиги ортиши билан ионларнинг тезлиги ортади ва натижада ионларнинг бошка ионлар ва молекулалар билан тук-нашиши ноэластик булиши мумкин. Бу эса уз навбатида ионларнинг концентрацияси ошишига олиб келади. Натижада электролит орк,али утаётган ток кучи ортади.
Бошка томондан, электролит оркали ток утганда, Жоуль-Ленц конунига биноан унда иссик,-лик микдори ажралиб чикади. Натижада диссо-цияция коеффициенти а ортади, ионларнинг концентрацияси ортади. Бу эса электролитнинг к,аршилигини камайтиради, натижада утаётган ток кучи ортади. Лекин бизнинг тажрибаларда элек-тролитлар (эритмалар)нинг температураси деярли доимий сакланди ва турт хил эритмалар (10%
3-расм. Эритмаларнинг вольтампер характеристикалари.
1-жадвал. Эритмаларда ионларнинг харакатчанлиги
№ Ион Тажрибада олинган натижалар Адабиётларда келтирилган кийматлар Фарк,и
1 6,69 6,60 0,09
2 4,11 3,94 0,17
3 6,46 6,39 0,07
4 3,21
5 18,11 18,02 0,09
6 6,60 6,77 0,17
чанлиги КОН учун аник,ланди, яъни Ь+(К)=6.6010-8м2/Вс ни ташкил к,илди. Бу эса адабиётларда кел-тирилган кийматларга Ь+(К)=6.60-10'8м2/В-с жуда як,ин1. К+ ионларнинг харакатчанлиги барча эритмаларда бир хил деб хисоблаб, ионларнинг харакатчанлиги тажрибада аникланди ва улар 1-жадвалда келтирилди.
Бу так,к,осланган амалий натижалардан куриниб турибдики, мазкур экспериментал тажрибалар ва методика асосида аникланган катталиклар адабиётларда келтирилган катталикларда 1,5-2,5% га фарк килади. Демак, ушбу ишлаб чикилган курилма ва методика асосида укув жараёнларда хамда илмий тадкикотларда электролитларнинг солиштирма к,аршилиги, ионларнинг харакатчан-лигини аниклаш мумкин экан.
1 Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический
справочник. - М.: «Химия», 1978. -С. 196.
Хулосалар.
1. Нисбатан содда хамда фойдаланишга кулай булган ва эритмаларнинг электр утказувчанлиги хамда ионларнинг тезлиги, харакатчанлигини аниклашга имкон берувчи укув лаборатория курилмаси ишлаб чик,илди, амалда синаб курилди ва ижобий натижалар олинди.
2. Калий тузларининг эритмаларини электр утказувчанлиги хамда ионларнинг харакатчанлиги аникланди ва уларнинг к,ийматлари адабиётларда келтирилган к,ийматлар билан юк,ори аник,ликда мос келди.
3. Ишлаб чикилган укув лоборатория курил-масини укув жараёнларида, физпрактикумда хамда илмий тадкикот лаборотория ишларида кенг кулланилиши тавсия килинади.
ЗАМОНАВИЙ ТАЪЛИМ / СОВРЕМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 2019, 12(85)
Адабиётлар руйхати:
1. Джopaeв М. Физи^ Укитиш мeтoдикacи. - Т.: ТДПУ, 2013. -394-б.
2. Kaлaшникoв С.Г. Элeктp. - Т.: «Укитувчи», 1979. -418-442-б.
3. Сaвeльeв И.В. Умумий физикa кypcи. II том. - Т.: «Укитувчи», 1976. -52-259-б.
4. Paбинoвич В.А., Xaвин З.Я. Kpaткий xимичecкий cпpaвoчник. - М.: «Химия», 1978. -С. 196.
