Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

ЭЛЕКТРОХИМИЯ. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

После изучения этой главы вы должны:

-знать механизм электрической проводимости растворов элек­ тролитов;

-иметь представление о следующих понятиях и величинах:

предельная электрическая подвижность иона, удельная и молярная электрические проводимости электролитов в растворах; знать фак­ торы, влияющие на эти величины;

-знать законы независимого движения в разбавленных рас­ творах;

-основы кондуктометрии и ее практическое использование.

Жизнедеятельность любых живых организмов обязательно включает наряду с химическими различные электрические яв­ ления. Электрохимические явления лежат в основе важнейших биохимических процессов:

6 38

-возникновения биопотенциалов и переноса вещества через мембраны;

-передачи нервных импульсов;

-превращения химической энергии питательных веществ в электрическую, которая используется для синтеза молекул АТФ - аккумуляторов энергии в организме.

Следовательно, для понимания процессов жизнедеятельно­ сти необходимо знать основные положения электрохимии.

Электрохимия изучает свойства систем, содержащих подвиж­ ные ионы (растворов, расплавов, твердых электролитов), и явле­ ния, возникающие на границе раздела фаз вследствие переноса заряженных частиц. Она рассматривает, с одной стороны, влия­ ние электрического поля на движение заряженных частиц и протекание химических реакций в таких системах. С другой - возникновение на границе раздела фаз электрического поля в результате движения через нее заряженных частиц или проте­ кания на ней окислительно-восстановительных реакций. В пер­ вом случае электрическая энергия превращается в химическую,

аво втором - химическая переходит в электрическую. Для ор­ ганизма важную роль играет перемещение ионов в электрическом поле, обуславливающее электрическую проводимость растворов электролитов, биологических жидкостей и тканей организма. Рассмотрим подробно этот важный аспект биоэлектрохимии.

Электрическое поле вызывает направленное движение заря­ женных частиц. В проводниках первого рода, к которым относятся металлы, носителями электричества являются электроны. В про­ водниках второго рода - растворах и расплавах электролитов пе­ ренос электричества осуществляется положительными и отрица­ тельными ионами, т. е. катионами и анионами соответственно.

В отсутствие внешнего электрического поля ионы электролита находятся в состоянии хаотического теплового движения. При наложении внешнего электрического поля возрастает число пере­ мещений ионов в единицу времени вдоль силовых линий поля. Следствием этого является возникновение направленных потоков катионов и анионов, движущихся в сторону соответствующих по­ люсов, т. е. прохождение электрического тока через систему. При этом всегда катионы движутся к катоду, а анионы - к аноду.

С позиции жизнедеятельности организма наибольший инте­

рес представляет поведение водных растворов электролитов в электрическом поле. Способность проводить ток у растворов электролитов неодинакова и зависит от многих факторов, в ча­ стности от количества ионов и их подвижности.

24.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОДВИЖНОСТЬ ИОНОВ В РАСТВОРЕ

639

Таблица 24.1

Предельная подвижность катионов (и+) и анионов (u 1)

и их предельная молярная электрическая проводимость (Х°+ и XL) в водных растворах при 298 К

Предельной подвижностью иона ( и°, м2/(В - с)) называется средняя скорость его направленного движения, приобретаемая им в бесконечно разбавленном растворе в однородном элек­ трическом поле напряженностью 1 В/м.

чи н а, обратн ая эл е к т р и ч еск ом у соп р оти вл ен и ю п ров од н и к а: со = 1/R.

где р - удельное сопротивление, характеризующее природу проводника и вы­ ражаемое в Ом •м.

Э лектрическая п роводи м ость в соответстви и с п риведенны м и ур ав ­ нениям и вы р а ж а ется за в и си м остью :

со = s /(p I) = (1 /p K s/O = x ( s /0

где X " удельная электрическая проводимость, См/м; s - площадь плоских электродов, между которыми заключен раствор, м2; I - расстояние между электродами, м.

У дельная эл ектри ческая п р оводим ость характер изует свой ств а п р о ­ водящ ей ср еды - р аствора эл ектрол и та .

Удельная электрическая проводимость раствора электро­ лита равна количеству электричества, переносимому содер­ жащимися в нем ионами через поперечное сечение раствора площадью 1 м2 в однородном электрическом поле напряженно­ стью 1 В/м за 1 секунду.

В ан ал и ти ческой п рак ти к е удельная эл ектри ческая п р ов од и м ость % ч а сто вы р а ж а ется в С м /с м ; 1 С м /см — 10 2 С м /м .

642

Рис. 24.1. Зависим ость удельной электрической проводим ости р а с­ творов некоторы х электролитов от концентрации при 298 К

У д е л ь н а я э л е к т р и ч е с к а я п р о в о ­

д и м о с т ь з а в и с и т о т м н о г и х ф а к т о р о в , и п р е ж д е в се го от п р и р о д ы э л е к т р о ­ л и т а , е го к о н ц е н т р а ц и и и т е м п е р а т у ­ р ы . И з о т е р м ы у д е л ь н о й э л е к т р и ч е ­ с к о й п р о в о д и м о с т и , п р и в е д е н н ы е н а р и с . 2 4 . 1 , д а ю т п р е д с т а в л е н и е о х а ­ р а к т е р е з а в и с и м о с т и у д е л ь н о й э л е к ­ т р и ч е с к о й п р о в о д и м о с т и от п р и р о д ы

э л е к т р о л и т а и его к о н ц е н т р а ц и и п р и 2 5 °С ( 2 9 8 К ). А н а л и з и зо те р м п о з в о л я е т с д е л а т ь с л е д у ю щ и е в ы в о д ы :

п о д в и ж н о с т ь ю и о н о в Н з О + и О Н - .

2 . Н а и м е н ь ш и е з н а ч е н и я во в сем и н т ер в а л е к о н ц е н т р а ц и й и м е е т

П р и с н и ж е н и и к о н ц е н т р а ц и и э л е к т р о л и т а до о ч е н ь м а л ы х з н а ч е ­ н и й (п р и с 0 ) у д е л ь н а я э л е к т р и ч е с к а я п р о в о д и м о с т ь р а ст в о р о в э л е к ­

т р о л и т о в с т р е м и т с я к у д е л ь н о й э л е к т р и ч е с к о й п р о в о д и м о с т и ч и с т о й в о д ы ( 1 0 - 6 - 1 0 - 5 С м /м ) .

У в е л и ч е н и е те м п е р а т у р ы п о в ы ш а е т у д е л ь н у ю э л е к т р и ч е с к у ю п р о ­ в о д и м о с т ь , т а к к а к в о з р а с та ю т п о д в и ж н о с т ь и о н о в и с т еп е н ь э л е к т р о ­ л и т и ч е с к о й д и с с о ц и а ц и и сл а б о го э л е к т р о л и т а .

24.3 . МОЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Д л я о б ъ я с н е н и я п р о ц е с с о в , п р о и с х о д я щ и х в р а ст в о р а х и о б у с л о в ­ л е н н ы х с в о й с т в а м и р а ст в о р е н н о го в е щ е с т в а , в м е с то у д е л ь н о й э л е к т р и ­

ч е с к о й п р о в о д и м о с т и ч а с то и с п о л ь з у ю т м о л я р н у ю э л е к т р и ч е с к у ю п р о ­ в о д и м о с т ь , о б о з н а ч а е м у ю с и м в о л о м X.

Молярная электрическая проводимость электролита (^.)

равна удельной электрической проводимости его раствора с

концентрацией 1 молъ/м3.

643

21*

ионные и ион-дипольные взаимодействия в растворе. При разбавлении fэл !•

24.4 . ЗАКОН НЕЗАВИСИМОГО ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ В РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРАХ (ЗАКОН КОЛЬРАУША)

П р и б е с к о н е ч н о м р а зб а в л е н и и к а ж д ы й со р т и о н о в , п р и с у т с т в у ю ­ щ и х в р а с т в о р е , п ер е н о с и т э л е к т р и ч е с т в о н е за в и с и м о от д р у г и х и о н о в

и в н о с и т в с у м м а р н у ю э л е к т р и ч е с к у ю п р о в о д и м о с т ь р а ств о р а о п р е д е ­

Предельной молярной электрической проводимостью иона

назы вается количество эл ектричества , переносимое 1 моль

в о д и м о с т ь д а н н о го э л е к т р о л и т а н а о с н о в а н и и за к о н а К о л ь р а у ш а .

II Предельная молярная электрическая проводимость данно-

3 ) к о э ф ф и ц и е н т э л е к т р и ч е с к о й п р о в о д и м о с т и с и л ь н о го э л е к т р о л и ­ т а в р а ств о р е f 3Jl = Х/Х°.

645