2.2 Молярная электрическая проводимость растворов электролитов

Для учета влияния на электрическую проводимость растворов электролитов их концентрации и взаимодействия между ионами введено понятие молярной электропроводности раствора.

Молярная электропроводность раствора (λ) – электропроводность раствора, содержащего 1 моль растворенного вещества, помещенного между плоскими электродами, расположенными на расстоянии 1м друг от друга.

С удельной электропроводностью и молярной концентрацией раствора молярная электропроводность связана следующим соотношением:

λ_С = æ_С /С_М.

Молярная электропроводность как сильных так и слабых электролитов увеличивается с уменьшением концентрации, достигая некоторого предельного значения, называемого молярной электропроводностью при бесконечном разведении λ₀ (рис.5).

Рис. 5 – Зависимость молярной электропроводности растворов

слабых (1) и сильных (2) электролитов от их концентрации

Для слабого электролита такая зависимость молярной электропроводности от концентрации обусловлена в основном увеличением степени диссоциации α с разбавлением раствора. Откуда следует, что

α = λ_С/ λ₀

В случае сильного электролита с уменьшением концентрации ослабляется взаимодействие ионов между собой, что увеличивает скорость их движения и , следовательно, молярную электропроводность раствора и коэффициент электропроводности f _λ.

f _λ = λ_С/ λ₀

Ф. Кольрауш показал, что в молярную электропроводность бесконечно разбавленных растворов электролитов каждый из ионов вносит свой независимый вклад, и сформулировал закон независимости движения ионов:

молярная электропроводность при бесконечном разведении λ₀ равна сумме электропроводностей (подвижностей) катиона λ₀₊ и аниона λ_0– данного электролита.

λ₀ = λ₀₊ + λ_0–

Подвижность (молярная электропроводность) иона является его важнейшей характеристикой, отражающей участие иона в электропроводности раствора.

3 Требования техники безопасности

При выполнении данной лабораторной работы необходимо соблюдать общие правила работы в химической лаборатории.

4 Экспериментальная часть

Из исходного 0,1 М раствора слабого электролита (кислоты или основания) последовательным разбавлением готовят по 100 мл 0,05 М; 0,025 М; 0,0125 М; 0,00625 М; 0,003 М; 0,0015 М растворов.

Все растворы готовят в мерных колбах на 100мл. Для этого рассчитывают объем V₁ исходного раствора кислоты (основания) с молярной концентрацией C₁, необходимый для приготовления объема V₂ раствора заданной концентрации С₂. При расчете исходят из того, что количество кислоты при разбавлении исходного раствора не изменяется:

C₁ ·V₁ = С₂ ·V₂.

V₁ = С₂ ·V₂ / C₁.

Например, для приготовления 100мл 0,05М раствора необходимо взять 50 мл исходного раствора: V₁ = 0,05·100/0,1 = 50 мл.

Для получения более точных результатов концентрации приготовленных растворов устанавливают кислотно-основным титрованием (титруют раствором щелочи или кислоты соответствующей концентрации). Для титрования выбирают раствор щелочи с концентрацией, примерно равной концентрации титруемого раствора.

С_{Н к} = (С_{Н NаОН} V_NаОН)/ V_К ,

где С_{Н NаОН} – эквивалентная (нормальная) концентрация щелочи, моль/л;

С_{Н к}– эквивалентная (нормальная) концентрация кислоты, моль/л;

V_NаОН– средний объем щелочи, пошедший на титрование пробы кислоты, мл;

V_К– объем пробы кислоты, мл.

Для одноосновных кислот (и однокислотных оснований) эквивалентные и молярные концентрации совпадают С_Н = С_М.

Результаты титрования заносят в таблицу 5.

Таблица 5 − Результаты титрования

№ п/п	Заданная концен-трация раствора, моль/л	Концен- трация щелочи, моль/л	Объем пробы, мл	Объем щелочи, пошедший на титрование	Средний объем щелочи, мл	Точная концен- трация кислоты, моль/л
1

Измеряют электрическую проводимость приготовленных растворов в порядке возрастания концентраций. Перед измерением сосуд и датчик промывают дистиллированной водой и исследуемым раствором. Объем раствора должен быть постоянным, например, 50 мл.

Используя значения удельной электрической проводимости æ_С, рассчитывают молярную электрическую проводимость по формуле:

_С = æ_с / C_M,

где размерность молярной концентрации [С_M] = кмоль/м³ (1 кмоль/м³ соответствует 1 моль/л).

Вычисляют степень электролитической диссоциации  по формуле:

 = _С / ₀,

используя экспериментальные значения _С и справочные значения ₀.

Молярную электропроводность раствора электролита при бесконечном разведении ₀ рассчитывают по закону независимости движения ионов. Молярные электрические проводимости ионов при бесконечном разведении λ₀₊ и λ_0– берут из таблицы Приложения «Молярные электрические проводимости ионов при бесконечном разведении» [2].

Константу диссоциации рассчитывают по закону разведения Оствальда:

К_ДИС = .

Константу диссоциации можно рассчитать по формуле:

К_ДИС = . (*)

Результаты измерений и вычислений оформляют в виде таблицы 6.

Таблица 6 – Результаты измерений электропроводности слабого электролита

№ п/п	Точная концен-трация раствора, кмоль/м3	Удельная электро-проводность раствора æС, Ом -1 ∙ м -1	Молярная электропровод-ность раствора С, Ом -1 ∙ м 2∙кмоль-1	Степень диссо- циации С	КДИС
1
2
3

Полученное значение К_ДИС сравнивают со справочным значением из таблицы Приложения «Константы диссоциации слабых кислот и оснований при 25°C» [2], вычисляют абсолютную (∆) и относительную (δ) погрешность определения К_ДИС.

∆ = | К_{ДИС(ТАБЛ)} – К_{ДИС(ЭКСП)} |;

Δ = ·100%.

По результатам измерений и расчетов строят графики (рис. 6) зависимостей _С = f (С_M),  = (С_M), делают выводы.

а) б)

Рис.6 – Зависимость молярной электропроводности раствора слабого электролита (а) и степени диссоциации слабого электролита (б) от .

Константу диссоциации слабого электролита К_ДИС и его молярную электропроводность ₀ при бесконечном разведении можно определить графическим методом. Для этого необходимо преобразовать уравнение (*).

К_ДИС ∙₀∙(₀ − _С ) = С_М∙_С ²;

К_ДИС ∙₀² − К_ДИС ∙₀∙_С = С_М∙_С ².

Правую и левую части уравнения делят на _С:

К_ДИС ∙₀²/_С − К_ДИС ∙₀ = С_М∙_С ;

С_М∙_С = − К_ДИС ∙₀ + К_ДИС ∙₀²/_С;

Так как С_М∙_С = æ_с , то æ_с = − К_ДИС ∙₀ + К_ДИС ∙₀²/_С.

По экспериментальным данным строят график зависимости æ_с = f(1/_С) (рис.7).

Отрезок, отсекаемый на оси ординат, равен −К_ДИС∙₀, а отрезок, отсекаемый на оси абсцисс, равен 1/₀. Действительно, если æ_с = 0, то − К_ДИС ∙₀ + К_ДИС ∙₀²/_С = 0 и ₀ = _С (1/₀ = 1/_С).

Рис.7 – График зависимости æ_с = f(1/_С).