Determinarea Conductivităţii Soluţiilor de Electroliţi: Principiul Lucrării [PDF]

Zitiervorschau

DETERMINAREA CONDUCTIVITĂŢII SOLUŢIILOR DE ELECTROLIŢI

Principiul lucrării: Proprietatea unei substanţe de a conduce curentul electric poate fi caracterizată prin conductivitatea sa electrică. Electroliţii sunt substanţe care prin dizolvare într-un solvent polar se desfac în particule cu sarcini electrice pozitive sau negative, numite ioni. Trecerea electroliţilor sub formă de ioni se numeşte disociere electrolitică. Procesul de disociere electrolitică este un proces de echilibru, care se realizează între ioni şi molecule nedisociate ale electrolitului. Constanta de echilibru a electrolitului, în disocierea electrolitică se numeşte constantă de disociere şi se notează Kd. Electroliţii pot fi: acizi, baze sau săruri. Procesul de disociere în cazul electroliţilor tari este: -

disocierea unui acid tare: H2SO4 → 2H+ + SO4 2C 2H   C SO 2  4 Kd  C H 2SO4

-

(1) (2)

disocierea unei baze tari:

Cu(OH)2

Kd 

→

Cu2+ + 2HO-

(3)

C Cu2   C 2HO  C Cu(OH)2 (4)

-

disocierea unei sări:

NiSO4 → Ni2+ + SO42C Ni 2   C SO 2  4 Kd  C NiSO4

(5) (6)

unde “C” este concentraţia electroliţilor Procesul de disociere în cazul electroliţilor slabi este: CH3COOH → H+ + CH3COOi c 0 0 e c-c c c

(7)

Kd 

C CH COO  C H 

3

C CH COOH 3



C 2  1

(8)

Gradul de disociere al unui electrolit este notat cu  şi reprezintă raportul dintre numărul de molecule disociate şi numărul total de molecule. Constanta de disociere şi gradul de disociere constituie criteriul de clasificare a electroliţilor. Electroliţii tari au Kd > 1 şi  = 1, ceea ce înseamnă că ei sunt complet disociaţi în soluţii de concentraţii cuprinse între 0,1M şi 0,001M. Electroliţii slabi au Kd < 10-2 chiar în soluţii de concentraţii mai mici de 0,01M, iar  < 0,5. O altă mărime ce caracterizează soluţiile de electrolit este pH, reprezentând logaritmul cu semn schimbat din concentraţia ionilor de H şi poate lua valori între 0-14. pH  lg H  sau pH= - lgcH+ Electroliţii cu pH cuprins între [0-7) sunt acizi, cele cu pH  7 sunt neutri, iar cele cu pH cuprins între (7-14] sunt baze.

 





Pentru orice electrolit: pH  pOH  14 , unde pOH  lg HO Datorită faptului că soluţiile de electroliţi conţin ioni pozitivi (cationi) şi ioni negativi (anioni), ele conduc curentul electric. Aceste soluţii de electrolit sunt conductori ionici (de ordin II) şi la fel ca în cazul conductorilor de ordin I li se poate aplică legea lui Ohm. E=RI (9) unde: E este tensiunea exprimată în volţi (V); R este rezistenţa exprimată în Ohm (); I este intensitatea curentului exprimată în amperi (A). Rezistenţa conductorului de ordin I este dată de relaţia : l R= (10) S unde:  este rezistivitatea; l este lungimea conductorului sau distanţa dintre electrozi în cm; S este secţiunea conductorului. Din relaţia (10) se obţine : S =R (11) l Mărimea inversă rezistenţei (R) se numeşte conductanţă (G) şi se exprimă în -1 sau Siemens (S). Mărimea inversă rezistivităţii () se numeşte conductivitate () şi se exprimă în -1cm-1 sau Scm-1.  = 1/

(12)

Pentru soluţiile de electrolit, conductivitatea electrică () reprezintă conductanţa (G) unei coloane de soluţie de 1cm înălţime şi o secţiune de 1cm2, cu alte cuvinte conductivitatea electrică a unei soluţii de electrolit reprezintă conductanţa 1cm3 de soluţie ce se găseste între electrozii inerţi având aceeaşi suprafaţă de 1 cm2 şi aflaţi la distanţa de 1 cm. Pentru a putea compara din punct de vedere al conductivităţii electrice soluţii de electroliţi diferiţi se defineşte conductivitatea echivalentă (), care reprezintă conductivitatea  raportată la un echivalent gram de electrolit dizolvat într-un volum V (cm3) de soluţie. Pentru a măsura conductivităţile electrice ale soluţiilor de electrolit se folosesc aparate numite conductometre. Conductometrul este legat de o celulă de conductivitate, formată dintr-un vas de sticlă, în interiorul căruia sunt montaţi în poziţie fixă doi electrozi din metal inert (Pt), având suprafeţe egale. Celulele de conductivitate sunt caracterizate de o mărime numită constanta celulei (K). 2

K=l/S (13) unde: l reprezintă distanţa dintre electrozi şi suprafata lor (S) =V (14) unde: V = 1 / C şi reprezintă diluţia  =  /C (15) unde: V este volumul exprimat în cm3 de soluţie ce conţine un echivalent chimic din electrolitul considerat, iar C este concentraţia normală a lui. V = 1000 / C (16) -1 2 2  = 1000 / C ( cm /echiv.) (Scm / echiv.) (17) Conductivitatea echivalentă () creşte cu diluţia. La diluţii mari,  rămâne constantă şi se numeşte conductivitate echivalentă limită (∞) sau (o). Pentru determinarea lui ∞ se determină  la diferite concentraţii ale unei soluţii de electrolit şi se extrapolează la C = 0. Gradul de disociere () se exprimă prin raportul dintre  şi ∞ :  =  / ∞ (18) Legea diluţiei lui Ostwald exprimă dependenţa Kd de : Kd = 2C / (1- ) (19) Înlocuind pe  din relaţia (18) în relaţia (19) se obţine: Kd = 2C / ∞(∞ - ) (20) Scopul lucrării: se va urmări variaţia conductivităţii cu concentraţia pentru un electrolit slab (CH3COOH) şi se va calcula gradul de disociere () şi constanta de disociere (Kd). De asemenea, se masoară și se calculează pH-ul soluţiilor de CH3COOH. Aparatură şi substanţe: Aparatură: conductometru CONSORT C-830, celula de conductivitate legată de conductometru cu constanta K = 0,9. Substanţe: soluţii CH3COOH de concentraţii diferite Modul de lucru: - în 4 pahare Berzelius se găsesc soluţii de CH3COOH de concentraţii 0,001N, 0,01N, 0,1N şi 1N; - celula de conductivitate se spală cu apă distilată de 2 – 3 ori inainte de utilizare; - se porneşte conductometrul, apăsând butonul « ON/OFF » şi apoi butonul « MODE », până apare scala de citire a conductanţei () în mS/cm; - se introduce celula de conductivitate, pe rând, în paharele cu soluţii de CH3COOH de concentraţii 0,001N, 0,01N, 0,1N şi 1N, în ordinea creşterii concentraţiei. - se deconectează electrodul de conductivitate de la bornele aparatului si se conectează electrodul de pH, efectuandu-se citiri succesive ale pH-ului pentru fiecare soluţie de CH3COOH în parte. Calcule şi rezultate: Se măsoară conductanţa  şi apoi se calculează, ,  şi Kd, ştiind că ∞ = 380 Scm2. De asemenea, se măsoară şi se calculează valorile pH-ului. Se ține cont că:

CH+= C, iar pHcal = - lg cH+

(21)

Valorile obţinute se vor trece în tabelul de mai jos :

3

Soluţie

Concentraţie (C)





[Scm-1]

[Scm2]



Kd

cH+

pHcalc pHmas

0,001 0,01N CH3COOH 0,1N 1N

Probleme: 1. O celulă de conductivitate are următoarele caracteristici: suprafaţa electrozilor S = 2 cm2, iar distanţa dintre cei doi electrozi l = 2,5 cm. Concentraţia soluţiei din celulă fiind 1N, iar rezistenţa ei R = 50 , să se calculeze conductivitatea, conductivitatea echivalentă şi gradul de ionizare al electrolitului. Se cunoaşte  = 125 -1cm2. 2. Rezistenţa unei soluţii ce conţine 0,1echiv.g KCl la 1000 cm3 soluţie, la 25oC este R1 = 3468,9 ; conductivatatea acestei soluţii este  = 1,285 x10-2 -1cm-1. O soluţie 0,1N dintr-o substanţă oarecare, în aceeaşi celulă de conductibilitate are rezistenţă R2 = 4573,4 . Să se calculeze conductivitatea echivalentă a acestei soluţii. 3. Cunoscând conductivitatea echivalentă limită  = 130 -1cm2 şi  = 0,99 pentru o soluţie de KCl, să se calculeze concentraţia acestei soluţii. Se dă  = 0,130 -1cm-1. 4. Rezistenţa unei celule de conductivitate cu soluţie de KCl, determinată experimental este R = 100 . Ştiind că pentru soluţia de KCl 0,02N,  = 0,024 -1cm-1, să se calculeze constanta celulei şi conductivitatea echivalentă a soluţiei. 5. O celulă de conductivitate cu constanta de 0,2 cm-1 conţine o soluţie de KCl de concentraţie 0,5 N şi are o conductivitate de 0,05 -1cm-1. Ştiind că gradul de disociere este 0,78 să se calculeze: rezistenţa soluţiei, conductivitatea echivalentă, conductivitatea echivalentă limită şi conductanţa soluţiei. 6. Să se calculeze concentraţia unei soluţii de KCL având gradul de disociere 0,99, conductivitatea echivalentă limită 125 -1cm2Echiv.-1 şi conductivitatea de 0,130 -1cm-1. 7. Să se calculeze gradul de disociere a unui electrolit de concentraţie 0,75 N, având o rezistenţă de de 2,5  măsurată într-o celulă de conductivitate cu constanta 0,05 cm-1 şi conductivitatea limită  = 125 -1cm2Echiv.-1.

4