2054
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»
Кафедра «Инженерная экология и химия»
РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ № 4
по физической и коллоидной химии:
«Электрохимия»
ФИО студента______________________
Группа__________________
Омск, 2013
УДК 541.1
ББК 24.5
Рецензенты: канд. хим. наук, доц. Л.Н.Котова (ОмГТУ); канд. хим. наук, доц. В.Л.Штабнова (ОГИС)
Работа одобрена НМСН 280700.62 в качестве учебного пособия по физической и коллоидной химии.
Рабочая тетрадь № 4 по физической и коллоидной химии: «Электрохимия» / Составитель: В.А.Хомич; СибАДИ, кафедра ИЭиХ. – Омск: СибАДИ, 2013. – 40 с.
Рабочая тетрадь включает материал 4-го раздела физической и коллоидной химии: «Электрохимия». Тетрадь предназначена для самостоятельной работы студентов и выполнения лабораторной работы. Рассматриваются темы: «Равновесия в растворах слабых электролитов», «Электропроводность в растворах электролитов», «Электродные процессы. Электролиз», «Термодинамическая теория ЭДС». Материал каждой темы включает: описание теоретических основ, методические указания по решению типовых задач и условия задач для 20-и вариантов. Приведена последовательность решения задач, соответствующих конкретному варианту студента. Даны условия задач для самостоятельного решения. Для проведения лабораторных работ тетрадь содержит: вопросы к коллоквиуму, методические указания и заготовки отчетов.
Рабочая тетрадь предназначена для бакалавров направления 280700.62 «Техносферная безопасность».
Табл. 10. Библиогр.: 6 назв.
© ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2013
2
Содержание
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………….……...………................................3 ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ……………………………………………………………………..4 ТЕМА 4.1. РАВНОВЕСИЯ В РАСТВОРАХ СЛАБЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ.
ТЕМА 4.3. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ…………………….4
4.1.1. Расчеты равновесий в растворах слабых электролитов……………………………………6
Задача 1……………………………………………………………………………………………....6 4.3.1. Расчеты электропроводностей растворов…………………………………………………..8 Задача 2……………………………………........................................................................................8 Задачи для самопроверки…………………………………………………………………………10
ТЕМА 4.4. ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ. ЭЛЕКТРОЛИЗ……………………………………12
4.4.1. Расчеты, основанные на законе Фарадея………………………………………………….18
Задача 3……………………………………………………………………………………….…….18 Задачи для самопроверки………………………………………………………………………….19
ТЕМА 4.5. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЭДС…………………………………………21
4.5.1.Расчеты электродных потенциалов и электродвижущей силы гальванического элемента…………………………………………………………………………………………..24 Задача 4…………………………………………………………………………………………...24 Задачи для самопроверки………………………………………………………………………..26
4.5.2.Расчеты изменения изобарного и изохорного потенциалов, энтропии по ЭДС электрохимического элемента……………………………………………………………………28
Задача 5…………………………………………………………………………………………….28 Задачи для самопроверки………………………………………………………………………..30 ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ ПО ТЕМЕ 4.2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ………………………………………………………………………………….30
Вопросы к коллоквиуму по модулю 4……………………………………………………………30 Лабораторная работа № 1. Измерение электропроводности раствора слабого электролита...31 Лабораторная работа № 2. Кондуктометрическое титрование…………………………………36
Библиографический список……………………………………………………………………….39
ПРИЛОЖЕНИЕ.…………………………………………………………………………………...39
ВВЕДЕНИЕ
Рабочая тетрадь включает материал для самостоятельной работы и проведения лабораторных занятий. Номера тем модуля аналогичны их номерам в рабочей программе дисциплины. Материал практических занятий по каждой теме изложен в следующей последовательности: краткая теоретическая часть (в виде понятий, законов, уравнений и формул, необходимых для проведения расчетов); условия задач по соответствующим вариантам (всего 20 вариантов); разобранный пример решения типовой задачи с методическими указаниями по ее решению и последовательность решения индивидуальных задач своего варианта. Для закрепления практических навыков проведения расчетов приводится набор задач для самопроверки. На каждую задачу дан ответ для того, чтобы проконтролировать правильность ее решения.
Материал для проведения лабораторного занятия включает: вопросы к коллоквиуму по теоретической части 4-го модуля; изложение цели, методических указаний и порядка проведения лабораторной работы; таблицы для внесения результатов измерений; места, отводимые для построения графических зависимостей, расчетов и выводов.
3
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ ТЕМА 4.1. РАВНОВЕСИЯ В РАСТВОРАХ СЛАБЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ.
ТЕМА 4.3. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
С разбавлением растворов слабых электролитов увеличивается их степень диссоциации , а константа диссоциации при постоянной температуре хорошо сохраняет свое постоянство. В этом заключается сущность закона разбавления (или закона разведения) Оствальда. Математически закон разбавления выражается следующими соотношениями
|
Кдис |
|
|
|
2с |
|
(1) |
|
|
1 |
|||||||
|
|
|
|
|||||
или |
Кдис |
|
|
|
2 |
(2) |
||
|
|
|
, |
|||||
|
|
|
||||||
|
|
|
(1 )V |
|
||||
где V – разведение раствора.
Если степень диссоциации слабого электролита мала, можно принять, что
(1 – α) ≈ 1. Тогда
Кдис |
|
|
2 |
. |
(3) |
|
|
||||
|
|
||||
|
|
V |
|
||
Сильные электролиты не подчиняются этому закону.
Удельной электропроводностью проводника x называется
электропроводность столбика вещества длиной 1 см при поперечном сечении 1 см2.
x |
1 |
|
l |
, |
(4) |
|
|
||||
|
R S |
|
|||
где R общее сопротивление, Ом; l длина проводника, см; S поперечное сечение проводника, см2.
Удельная электропроводность раствора x есть величина, обратная удельному сопротивлению .
x |
1 |
. |
(5) |
|
|||
|
|
|
|
Если отнести удельную электропроводность к числу эквивалентов в 1 см3
раствора, т.е. к величине |
|
cн |
, |
то |
получим |
значение эквивалентной |
||
1000 |
||||||||
электропроводности |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
x 1000 |
|
|
||
|
|
|
|
, |
(6) |
|||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
cн |
|
||
где cн - нормальность или молярная концентрация эквивалента электролита, моль/дм3.
4
Эквивалентная электропроводность численно равна электропроводности такого объема раствора, который содержит один эквивалент электролита и помещен между параллельными электродами, отстоящими на расстоянии 1 см.
Величину 1 называют разбавлением (или разведением) раствора и
сн
обозначают соответственно V . |
|
||
|
1 |
V . |
(7) |
|
|
||
|
cн |
|
|
Согласно закону электропроводности Кольрауша, |
эквивалентная |
||
электропроводность электролита при бесконечном разбавлении равна сумме подвижностей катиона к и аниона а.
к |
а . |
(8) |
Подвижности ионов пропорциональны их абсолютным скоростям ( к и a ).
к F к; а F a , (9)
где F постоянный множитель, равный числу Фарадея (96500 Кл).
Для слабых электролитов отношение эквивалентной электропроводности
раствора при данном разбавлении |
к эквивалентной электропроводности при |
||
бесконечном разбавлении |
выражает степень |
электролитической |
|
|
|
|
|
диссоциации α. |
|
|
|
|
|
. |
(10) |
|
|
||
|
|
||
Для сильных электролитов это отношение характеризует «кажущуюся» степень диссоциации.
При подстановке формулы (10) в математическое выражение закона разбавления Оствальда (1) получаем следующие соотношения:
2с
Кдис |
|
|
|
|
; |
(11) |
|
( |
|
|
|||
|
) |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
2
Кдис |
|
|
|
|
. |
(12) |
|
( |
|
)V |
|||
|
|
|
|
|
|
|
5
4.1.1. Расчеты равновесий в растворах слабых электролитов Задача 1
При каком разведении концентрация ионов водорода в растворе слабой кислоты (или концентрация ионов ОН- в растворе слабого основания) будет иметь определенное значение величины. Для каждого варианта в табл. 1 приведены: название и химическая формула кислоты (или основания), значения концентрации ионов водорода (или ионов ОН-) и константы электролитической диссоциации кислоты (или основания).
П р и м е р
При каком разведении концентрация ионов водорода в растворе фенола С6Н5ОН будет равна 10-6 моль/дм3? Константа электролитической диссоциации фенола 1,28∙10-10.
Решение примера
Записываем уравнение электролитической диссоциации фенола.
С6Н5ОН = С6Н5О- + Н+.
Концентрация ионов водорода в растворе фенола будет равна
|
c |
|
|
c или |
c |
|
|
|
. |
|
|
||||||||
|
H |
|
ф |
H |
|
V |
|||
Следовательно, |
c |
V . |
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
Подставляя это значение α в формулу (3) для Кдис , получим
|
|
|
|
|
|
c2 |
V2 |
|
|
|||
Кдис |
|
|
H |
|
c2 |
V , |
||||||
|
|
|
V |
|
||||||||
откуда разведение раствора |
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
V |
Kдис |
|
|
1,28 10 10 |
|
128 дм3. |
||||||
|
|
(10 6)2 |
||||||||||
|
c |
2 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение задачи 1
1.Записываем уравнение электролитической диссоциации электролита своего варианта.
_____________________________________________________
2.Вычисляем разведение раствора, при котором концентрация ионов Н+ (или ионов ОН-) становится равной условию задачи.
V = _______________________________________________ дм3.
6
|
Исходные данные для решения задачи 1 |
Таблица 1 |
|||
|
|
|
|||
Вариант |
Электролит |
Концентрация |
|
Константа |
|
|
|
ионов, моль/дм3 |
|
диссоциации, |
|
|
|
|
|
Кдис |
|
1 |
Бензойная кислота |
[Н+] + 0,005 |
|
6,46 ∙10-5 |
|
2 |
Капроновая кислота |
[Н+] = 0,001 |
|
1,43∙10-5 |
|
|
С5Н11СООН |
|
|
|
|
3 |
Муравьиная кислота |
[Н+] = 0,005 |
|
1,77∙10-4 |
|
|
НСООН |
|
|
|
|
4 |
Гидроксид аммония |
[ОН-] = 0,001 |
|
1,79∙10-5 |
|
|
NН4ОН |
|
|
|
|
5 |
Бутиамин |
[ОН-] = 0,002 |
|
4,1∙10-4 |
|
|
С4Н9NН3ОН |
|
|
|
|
6 |
Пропиламин |
[ОН-] = 0,001 |
|
4,7∙10-4 |
|
|
С3Н7NН3ОН |
|
|
|
|
7 |
Бензиламин |
[ОН-] = 0,00119 |
|
2,25∙10-5 |
|
|
С6Н5СН2NН3ОН |
|
|
|
|
8 |
Бензиламин |
[ОН-] = 6,02∙10-4 |
|
2,32∙10-5 |
|
|
С6Н5СН2NН3ОН |
|
|
|
|
9 |
Бензиламин |
[ОН-] = 4,22∙10-4 |
|
2,28∙10-5 |
|
|
С6Н5СН2NН3ОН |
|
|
|
|
10 |
Метиламин |
[ОН-] = 1,09∙10-3 |
|
4,23∙10-4 |
|
|
СН3NН3ОН |
|
|
|
|
11 |
Метиламин |
[ОН-] = 1,66∙10-3 |
|
4,45∙10-4 |
|
|
СН3NН3ОН |
|
|
|
|
12 |
Метиламин |
[ОН-] = 2,44∙10-3 |
|
4,52∙10-4 |
|
|
СН3NН3ОН |
|
|
|
|
13 |
Метиламин |
[ОН-] = 5,24∙10-3 |
|
4,80∙10-4 |
|
|
СН3NН3ОН |
|
|
|
|
14 |
Этиламин |
[ОН-] = 5,77∙10-3 |
|
5,87∙10-4 |
|
|
С2Н5NН3ОН |
|
|
|
|
15 |
Пропионовая кислота |
[Н+] = 1,36∙10-3 |
|
1,38∙10-3 |
|
|
С2Н5СООН |
|
|
|
|
16 |
Масляная кислота |
[Н+] = 5,09∙10-4 |
|
1,70∙10-5 |
|
|
С3Н7СООН |
|
|
|
|
17 |
Капроновая кислота |
[Н+] = 0,003 |
|
1,43∙10-5 |
|
|
С5Н11СООН |
|
|
|
|
18 |
Гидроксид аммония |
[ОН-] = 0,003 |
|
1,79∙10-5 |
|
|
NН4ОН |
|
|
|
|
19 |
Пропиламин |
[ОН-] = 0,004 |
|
4,7∙10-4 |
|
|
С3Н7NН3ОН |
|
|
|
|
20 |
Муравьиная кислота |
[Н+] = 0,004 |
|
1,77∙10-4 |
|
|
НСООН |
|
|
|
|
7
4.3.1. Расчеты электропроводностей растворов Задача 2
Вычислить значения эквивалентной электропроводности раствора и кажущейся степени диссоциации соли в растворе. В табл. 2 для каждого варианта приведены: химическая формула электролита, процентная концентрация или нормальность (молярная концентрация эквивалента), удельная электропроводность и плотность раствора.
|
Исходные данные для решения задачи 2 |
Таблица 2 |
||||
|
|
|
||||
Вариант |
Электролит |
Процентная |
Молярная |
Удельная |
|
Плотность |
|
|
концентрация, |
концентрация |
электропро- |
|
раствора, |
|
|
% |
эквивалента, |
водность, |
|
г/см3 |
|
|
|
моль/дм3 |
Ом-1∙см-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
КNО3 |
15 |
- |
0,1186 |
|
1,096 |
2 |
СaСl2 |
10 |
- |
0,1140 |
|
1,080 |
3 |
NH4Cl |
20 |
- |
0,3365 |
|
1,057 |
4 |
КОН |
4,2 |
- |
0,1464 |
|
1,038 |
5 |
Н2SО4 |
5 |
- |
0,2085 |
|
1,033 |
6 |
Na2SO4 |
10 |
- |
0,0687 |
|
1,092 |
7 |
NН4ОН |
0,8 |
- |
0,000686 |
|
0,996 |
8 |
СН3NН3ОН |
- |
0,00782 |
0,000414 |
|
- |
9 |
С2Н5NН3ОН |
- |
0,01562 |
0,00061 |
|
- |
10 |
С2Н5СООН |
- |
0,135 |
0,000479 |
|
- |
11 |
СН3СООН |
4,33 |
- |
0,0012 |
|
1,005 |
12 |
NН4ОН |
О,4 |
- |
0,00049 |
|
1,000 |
13 |
С2Н5СООН |
1 |
- |
0,000479 |
|
1,000 |
14 |
НI |
- |
0,405 |
0,1332 |
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
15 |
КF |
- |
0,5 |
0,0413 |
|
- |
16 |
НСООН |
4,94 |
- |
0,0055 |
|
1,012 |
17 |
СН3NН3ОН |
- |
0,00391 |
0,000273 |
|
- |
18 |
НСООН |
9,55 |
- |
0,00756 |
|
1,024 |
19 |
КСl |
- |
0,509 |
0,0454 |
|
- |
20 |
С2Н5NН3ОН |
- |
0,0624 |
0,00131 |
|
- |
П р и м е р
При 18 оС удельная электропроводность 5 %-го раствора Mg(NO3)2 равна 4,38∙10-2 Ом-1∙см-1, плотность его – 1,038 г/см3. Вычислить значения эквивалентной электропроводности раствора и кажущейся степени диссоциации соли в растворе.
8
Решение примера
Находим нормальность (молярную концентрацию эквивалента) 5 %-го раствора Mg(NO3)2.
С |
н |
|
С% d 1000 |
|
|
5 1,038 1000 |
0,6997моль/дм3. |
100 ЭMg(NO ) |
|
|
|||||
|
|
2 |
|
100 74,17 |
|||
|
|
|
3 |
|
|
|
|
Эквивалентную электропроводность вычисляем по формуле (6).
|
|
x 1000 |
|
4,38 10 2 1000 |
|
|
-1 |
|
-1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
62,61 |
Ом |
|
∙моль |
|
∙см |
. |
Сн |
0,6997 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Значение находим по формуле (8). Данные подвижностей ионов берем из табл. П 1.
|
1 |
Mg2 |
44,6; |
NO 62,6. |
|||
|
|
2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
44,6 |
62,6 107,2 Ом-1∙моль-1∙см2. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
По формуле (10) вычисляем α . |
|
||||||
|
|
|
62,61 |
0,584 |
или 58,4 %. |
||
|
|
|
|
||||
107,2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|||
Решение задачи 2
1.Вычисляем нормальность (молярную концентрацию эквивалента) раствора.
Сн = ___________________________________________________ моль/дм3.
Этот расчет не выполняется, если по условию задачи Сн известна.
2.Вычисляем эквивалентную электропроводность раствора.
= _________________________________________________________ Ом-1∙моль-1∙см2.
3.Определяем значение эквивалентной электропроводности раствора при бесконечном разведении. Данные подвижностей ионов берем из табл. П 1.
к = ______________ Ом-1∙моль-1∙см2; |
а = _____________ Ом-1∙моль-1∙см2. |
|||||
|
|
-1 |
|
-1 |
2 |
|
= ________________________________________________________ Ом |
|
∙моль |
|
∙см |
. |
|
4. Вычисляем кажущуюся степень диссоциации электролита в растворе. |
||||||
= _________________________; |
= _________ %. |
|
||||
9
Задачи для самопроверки
1.В сосуд для измерения электропроводности помещены круглые платиновые электроды диаметром 1,28 см, расстояние между электродами 1,68 см. Сосуд заполнен 0,01 н. раствором NaNO3. При напряжении в 0,5 В через данный раствор проходит ток силой 1,17 мА. Вычислить удельную и
эквивалентную электропроводность раствора NaNO3.
Ответ: 9,781∙10-4 Ом-1∙см-1; 97,81 Ом-1∙моль-1∙см2.
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
2.В сосуд для измерения электропроводности помещены круглые платиновые электроды диаметром 1,28 см, расстояние между электродами 1,68 см. В сосуд налит 0,05 н. раствор AgNO3. При напряжении в 0,5 В через данный раствор проходит ток силой 5,95 мА. Вычислить удельную и эквивалентную электропроводность раствора.
Ответ: 4,974∙10-3 Ом-1∙см-1; 99,48 Ом-1∙моль-1∙см2.
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
3.Сопротивление раствора Na2SO4 в электролитическом сосуде 2,86 Ом. Вычислить удельную электропроводность раствора, если площадь электродов 5,38 см2, а расстояние между ними 0,82 см.
Ответ: 0,05328 Ом-1∙см-1.
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
4.При 18 0С абсолютные скорости катиона и аниона валериановой кислоты (С4Н9СООН) соответственно равны 3,242∙10-3 и 2,662∙10-4 см2/(сек∙в). Найти значение эквивалентной электропроводности валериановой кислоты при
бесконечно большом разбавлении. Ответ: 338,6 Ом-1∙моль-1∙см2.
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
5.При 18 0С эквивалентная электропроводность раствора пропиламина
С3Н7NH3OH при разведении в 64 дм3 равна 35,4 Ом-1см2. Константа диссоциации пропиламина 4,7∙10-4. Вычислить значение подвижности катиона.
Ответ: 30,2.
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
6.При 25 0С константа электролитической диссоциации монохлоруксусной кислоты равна 1,40∙10-3, а ее эквивалентная электропроводность при
10