Работа 16
С использованием лабораторного комплекса (УЛК-Химия)
Определение константы диссоциации
слабой кислоты
Работа 16
Определение константы диссоциации
слабой кислоты
Цель работы: определение степени и константы диссоциации слабой органической кислоты при разных концентрациях.
Приборы и реактивы:
1. Учебно-лабораторный комплекс «Химия» в следующей комплектации:
– центральный контроллер;
– модуль «Электрохимия» в комплекте с двумя серебряными электродами для измерения электропроводности и одним термодатчиком;
– стаканчик на 50 см3;
2. Растворы уксусной кислоты концентрацией 0,1; 0,01; 0,001; 0,0001 М, дистиллированная вода.
Теоретическая часть
Согласно теории Аррениуса, электролиты в водном растворе диссоциируют на заряженные частицы – ионы, которые и являются переносчиками электричества. Не все электролиты диссоциируют в одинаковой степени: одни – сильные электролиты, диссоциируют в растворе полностью; другие – слабые электролиты – лишь частично. В последнем случае доля распавшихся молекул, называемая степенью диссоциации (), зависит от концентрации электролита и температуры.
В растворе слабого электролита между недиссоциированными молекулами и ионами устанавливается равновесие
KnAm nKm++mAn-.
Для бинарного электролита:
КАК+ + А-,
.
Константа равновесия процесса электролитической диссоциации называется константой диссоциации (Кд).
Положим, что степень диссоциации равна . Если концентрация кислоты в растворе равна с (моль/л), то концентрации катиона и анионаравныс, а концентрация недиссоциированной части (1–)с. Поэтому
, (1)
Вычисленная практическая константа Кд зависит от концентрации. Независимой от концентрации является термодинамическая константа диссоциации, выраженная через активность ионов и молекул:
, (1/)
где– активность ионов К+, – активность ионов А–, ,– коэффициенты активности соответствующих ионов,с – концентрация электролита.
Ионы в растворе электролита находятся в непрерывном беспорядочном движении. При наложении внешнего электрического поля на хаотичное движение ионов накладывается ориентированное поступательное движение к поверхности электродов: катионов – к отрицательному, а анионов – к положительному электроду. В результате возникает электрический ток.
Величина, характеризующая способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля, называется электрической проводимостью.
Электрическая проводимость (G) – величина, обратная электрическому сопротивлению проводника (R). Измеряется в сименсах (См): См = Ом–1.
Так как
то
, (2)
где – удельное сопротивление; – удельная электрическая проводимость; S – площадь сечения проводника; l – длина проводника.
Электрическая проводимость в растворах электролита зависит от числа ионов в объеме раствора между электродами и скорости их движения.
Для оценки проводимости растворов и влияния на нее различных факторов применяют две величины: удельную () и молярную () электрическую проводимость.
Удельной электрической проводимостью () называют электропроводность раствора, находящегося между параллельными электродами площадью 1 см2, расположенными на расстоянии 1 см. Удельная электрическая проводимость измеряется в Ом-1см–1 или Смсм–1.
Молярная электрическая проводимость – мера электрической проводимости всех ионов, образующихся при диссоциации 1 моль электролита при данной концентрации.
Молярная электрическая проводимость равна электрической проводимости такого объема (V, см3) раствора, в котором содержится 1 моль растворенного вещества, причем электроды находятся на расстоянии 1 см друг от друга.
Удельная и молярная электрические проводимости связаны соотношением
, (3)
где С – концентрация, мольл;
– молярная электрическая проводимость, (Ом-1см2моль–1) или Смсм2моль–1;
– удельная электрическая проводимость, (Ом-1см-1) или Смсм-1.
Поскольку электрическая проводимость объема раствора электролита определяется количеством находящихся в нем ионов, переносящих электричество, а также скоростью их миграции, для молярной проводимости справедливо соотношение
, (4)
где U+, U- – абсолютные скорости движения ионов (т. е. скорости их передвижения в поле с напряженностью 1 В·см–1); – степень диссоциации электролита; F – число Фарадея, т. е. количество электричества, которое несет 1 моль однозарядных катионов или анионов.
где NA = 61023 – число Авогадро,
е – 1,610–19 Кл – заряд электрона.
При разбавлении раствора молярная электрическая проводимость как сильных, так и слабых электролитов возрастает: для слабых электролитов – вследствие увеличения степени диссоциации (), для сильных – в результате повышения абсолютной скорости движения ионов .
Предельное значение , отвечающее молярной электрической проводимости гипотетического бесконечно разбавленного раствора, характеризующегося полной диссоциацией электролита и отсутствием сил электростатического взаимодействия между ионами, в соответствии с (4) может быть выражено соотношением
, (5)
Произведения иназываются предельными молярными проводимостями, или предельными подвижностями катионов и анионов. Уравнение (5) можно записать в виде
(6)
Молярная электрическая проводимость электролита при бесконечном разбавлении () равна сумме предельных подвижностей анионов и катионов.
Соотношение (6) установлено Кольраушем и называется законом независимого движения ионов.
Предельная подвижность ионов зависит только от природы растворителя и температуры; для многих ионов эта величина экспериментально определена и приведена в справочниках.
Молярная электрическая проводимость растворов слабых электролитов меньше, чем сильных. Это связано с тем, что даже при низких концентрациях степень диссоциации слабых электролитов мала (1), следовательно, несмотря на то, что в объеме раствора, заключенного между электродами, содержится 1 моль электролита, ионов-переносчиков электрического тока в этом объеме меньше, чем в растворе сильного электролита. Повышение молярной электрической проводимости слабых электролитов при разбавлении растворов связано именно с увеличением степени диссоциации.
Из уравнений (4) и (5) следует:
(7)
где – коэффициент электрической проводимости, характеризующийся степенью торможения ионов.
Абсолютные скорости движения ионов в разбавленных растворах электролитов (U+, U-) и в бесконечно разбавленных (U+, U-) близки между собой (), поэтому
. (8)
Таким образом, степень диссоциации электролита в растворе заданной концентрации можно рассчитать, если измерить молярную электрическую проводимость этого раствора и знать , которую можно рассчитать по формуле (5).