Исследование кислотно-основных равновесий в водных растворах кондуктометрическим методом
Методические указания к лабораторной работе
по курсам «Физическая химия» и «Дополнительные главы физической химии»
для студентов, обучающихся по программе бакалавриата
по направлениям подготовки 240700 − Биотехнология
240100− Химическая технология
УДК 66.092-977(075.8)
ББК 35.5я73
Составитель Степановских Е.И.
ИССЛЕДОВАНИЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ РАВНОВЕСИЙ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ: лабораторная работа / Екатеринбург: УрФУ, 2014. −16 с.
Рассмотрена лабораторная работа по разделу курсов «Физическая химия» и «Дополнительные главы физической химии». Описание экспериментальной части лабораторной работы соответствует изданному ранее пособию [1], однако работа существенно переработана в связи с новыми рабочими планами специальностей и использованием нового оборудования. К ней добавлено расчетное аналитическое задание, выполнение которого позволит исследовать вещества, по каким-либо причинам (дефицитность, ядовитость и т.д.) не применяемые в студенческом лабораторном практикуме. В конце указаний приведена многовариантная задача и необходимые справочные материалы.
Библиогр.: 4 назв. Рис.3. Прил
© Уральский
федеральный
университет, 2014
Цели работы
Ознакомиться с кондуктометрическим методом исследования ионных равновесий в водных растворах слабых кислот и определить, согласно различным вариантам заданий, требуемую константу ионизации.
Варианты заданий
А. Определение константы кислотности слабой кислоты НА и константы основности сопряженного с ней основания А по электропроводности водного раствора кислоты.
Б. Расчет величины константы кислотности слабой кислоты НА и константы основности сопряженного с ней основания А по известным экспериментальным данным.
Краткая теоретическая часть
Равновесие в растворах электролитов, через которые не проходит электрический ток, является динамическим, усредненным по времени и по объему. Частицы раствора все время совершают хаотическое движение и перескакивают с одного места на другое. В среднем все движения частиц скомпенсированы и направленного макроскопического перехода ионов и диполей в каком-либо направлении не происходит. Направленное передвижение ионов можно вызвать следующими причинами:
1. Изменение активности растворенного вещества в одной части раствора по отношению к другой. Это наблюдается, например, при электролизе: вблизи электрода концентрация может быть больше, чем в растворе. Идет самопроизвольный процесс выравнивания концентраций диффузия.
2. Наложение электрического поля, которое вызывает направленное перемещение частиц – миграцию.
Ион движется как под действием градиента химического потенциала так и под действием градиента электрического потенциала, а общей силой действующей на ион является градиент электрохимического потенциала. При изучении электропроводности целесообразно использовать переменный ток, тогда при движении заряженных частиц под действием электрического поля не будет возникать градиент химического потенциала и тогда диффузию можно не учитывать.
Электрическая проводимость (электропроводность) – это мера способности веществ проводить электрический ток. Это величина, обратная электрическому сопротивлению.
Удельная
электропроводность
(æ, каппа) −
это величина, обратная удельному
сопротивлению (
)
æ =
,
измеряется в Ом−1м−1.
Молярная
электропроводность
(,
лямбда). равна удельной электропроводности,
деленной на концентрацию
æ/
,
измеряется в
Ом1м2
моль1.
Иногда используют эквивалентную электропроводность, которая равна удельной электропроводности, деленной на эквивалентную концентрацию ионов.
æ/
.
(1)
Эквивалентную концентрацию ионов можно найти, умножив концентрацию электролита на число данного иона в молекуле электролита i и на абсолютное значение его заряда zi.
.
(2)
При
рассмотрении электропроводности
растворов электролитов используют
понятия скорости движения различных
ионов
,
и абсолютной скорости движения иона
под действием электрического поля
напряженностью E,
В/м
.
(3)
Вводится также понятие подвижность частиц вида i или ионная электропроводность (эквивалентная электропроводность)
,
(4)
где F – число или постоянная Фарадея (или мольный электрический заряд) , F = 96485 Кл/моль.
Удельную электропроводность раствора с протекающими в нем r реакциями, в которых образуется i ионов, можно найти по формуле:
æ
=
.
(5)
Рассмотрим, например, как можно найти электропроводность водного раствора слабого основания B. Учтем две реакции:
1. Н2О + Н2О = Н3О+ + ОН (6)
2. В + Н2О = ВН+ + ОН . (7)
За счет протекания этих реакций в растворе будут находиться ионы H3O+, OH− , BH+.
Электропроводность раствора будет равна
æ
,
(8)
где
− равновесные концентрации ионов. Они
рассчитываются с учетом протекания
обоих реакций по следующим балансовым
соотношениям:
;
;
,
(9)
где
−
плотности глубин реакций 1 и 2.
Подстановка соотношений (9) в уравнение (8) приводит к выражению , связывающему удельную электропроводность раствора с плотностями глубин протекающих в растворе реакций
æ
.
(10)
Если концентрация
электролита мала, т.е.
,
то раствор называется предельной
разбавленным.
В бесконечно разбавленном растворе все
характеристики носят дополнительное
название «предельная»:
предельная подвижность иона, предельная
подвижность электролита.
Закон независимого движения ионов или закон Кольрауша: при бесконечном разведении в растворе электролита ионы переносят электрический ток независимо друг от друга.
.
(11)
Из данных по измерению электропроводности раствора определенной концентрации можно найти степень электролитической диссоциации этого раствора
.
(12)
Электропроводность раствора при бесконечном разведении обычно находят по справочным величинам подвижностей ионов по формуле (11).
Для большинства ионов величина подвижности находится в пределах (2080)104 Ом1м2моль1. Но существует два вида ионов, которые имеют аномально высокую подвижность: ионы гидроксония H3O+ и ионы гидроксила OH−. Это объясняется особым механизмом переноса заряда этими ионами в воде – так называемым, эстафетным механизмом.
Ион гидроксония способен передавать протон ближайшей молекуле воды. Если тока нет, то перескоки протона равновероятны в разных направлениях. Но если наложено электрическое поле, то повышается вероятность перескоков протона к молекуле воды в направлении поля. Аномальную подвижность ионов гидроксила можно объяснить тем, что там протон перескакивает от молекулы воды к иону OH−. Но в молекуле воды протон связан более прочно, чем в ионе гидроксония, поэтому подвижность ионов гидроксила меньше, чем подвижность ионов гидроксония.