Лабораторная работа № 4. Электролитическая диссоциация

Электролитической диссоциацией называется процесс распада молекул вещества на ионы в растворе или расплаве.

Вещества, способные распадаться на ионы в растворе или расплаве, называются электролитами.

Основной количественной характеристикой процесса электролитической диссоциации является степень электролитической диссоциации ά (в дальнейшем — степень диссоциации), которая представляет собой отношение числа молекул, распавшихся на ионы N_расп., к общему числу молекул электролита N_общ.:

Электролиты подразделяются на сильные и слабые. Сильные электролиты практически полностью распадаются на ионы, слабые — диссоциируют частично.

Для обратимого процесса диссоциации слабого электролита в растворе можно записать константу равновесия, которая называется константой электролитической диссоциации К_дисс. (в дальнейшем — константой диссоциации).

Так, для диссоциации уксусной кислоты (CH₃COOH), которая является слабым электролитом и диссоциирует согласно уравнению CH₃COOH ↔ CH₃COO^- + H⁺.

Константа диссоциации К_дисс. равна отношению произведения молярных концентраций образовавшихся ионов [CH₃COO^-] и [H⁺] к молярной концентрации молекул уксусной кислоты [CH₃COOH], оставшихся нераспавшимися к моменту установления равновесия

К_дисс. = ([CH₃COO^-] ∙ [H⁺])/[CH₃COOH] (4.2)

Константа диссоциации является важной величиной, характеризующей способность к диссоциации слабых электролитов.

Между константой диссоциации К_дисс., степенью диссоциации ά и исходной молярной концентрацией слабого электролита в растворе С существует взаимосвязь, выражаемая законом разведения (или разбавления) Оствальда

К_дисс. = С∙ά²/(1- ά). (4.3)

Если для слабых электролитов ά <<1, то величиной ά в знаменателе можно пренебречь по сравнению с единицей, и тогда уравнение (4.3) упрощается и имеет вид

К_дисс. = С∙ά² (4.4)

Следовательно, математическое выражение зависимости степени электролитической диссоциации от концентрации раствора слабого электролита имеет вид

ά = (4.5)

Растворы электролитов содержат заряженные частицы и поэтому проводят электрический ток. Изменение концентрации электролита влияет на количество ионов в растворе. Поэтому одним из основных методов изучения процесса электролитической диссоциации является метод, основанный на определении электропроводности растворов электролитов.

Электропроводностью (W) называется величина, обратная сопротивлению (R): W = 1/R (Ом^-1) и, соответственно, удельной электропроводностью (χ) называется величина, обратная удельному сопротивлению (ρ): χ = 1/ ρ Ом^-1см^-1. Определение χ раствора сводится к измерению сопротивления раствора, находящегося между двумя металлическими пластинками датчика. Так как измеренное в опыте сопротивление зависит от размеров электродов , их формы, расстояния между ними и т.д., то для каждого датчика предварительно измеряется постоянная датчика k. Тогда удельную электропроводность раствора можно рассчитать по формуле

χ = k/R_x, (4.6)

где R_x — сопротивление раствора, измеренное с помощью данного датчика.

В электрохимии чаще пользуются не удельной, а эквивалентной электропроводностью λ.

λ = χ 1000/С_н (см²/Ом моль), (4.7)

где С_н — нормальная концентрация раствора.

Эквивалентная электропроводность равна электропроводности такого объема раствора, который содержит 1 моль эквивалентов электролита, помещенного между параллельными электродами, отстоящими на расстоянии 1 см друг от друга.

В очень разбавленных растворах (С→О) ионы находятся на большом расстоянии друг от друга и практически не испытывают взаимного влияния. Поэтому можно рассматривать движение каждого иона независимо от других. Тогда эквивалентная электропроводность бесконечно разбавленного раствора электролита λ⁰ будет равна сумме эквивалентных электропроводностей (подвижностей) катионов λ⁰₊ и анионов λ⁰_- (закон независимого движения Кольрауша)

λ ⁰ = λ⁰₊ + λ⁰_-. (4.8)

Так, для уксусной кислоты (CH₃COOH) при 25^ОС

λ⁰(H⁺) + λ ⁰(CH₃COO^-) = 349,8 + 40,9 = 390,7 (см²/Ом ∙ моль).

В растворах слабых электролитов конечной концентрации отношение эквивалентной электропроводности λ электролита при данной концентрации к эквивалентной электропроводности бесконечно разбавленного раствора λ⁰ равно степени диссоциации

ά = λ/λ⁰. (4.9)

• Опыт. Определение степени и константы электролитической диссоциации уксусной кислоты

Степень и константу диссоциации растворов уксусной кислоты различной концентрации можно рассчитать, определив удельную и эквивалентную электропроводности растворов.

Определение электропроводности растворов является предметом метода, называемого кондуктометрией. Измеряемой величиной в этом методе является электросопротивление раствора электролита.

Измерение сопротивления раствора электролита

На рис. 4.1 изображена передняя панель универсального измерительного прибора Е7-13, с помощью которого можно измерить сопротивление растворов электролитов.

.

Рис. 4.1. Передняя панель прибора Е7-13

Порядок работы на приборе Е7-13

1. Включите прибор в сеть 220 в (тумблер на задней панели прибора).

2. Прогреть прибор в течение 10 минут.

3. Левый рычаг (переключатель S1) перевести в режим настройки (▼).

4. Переключатель диапазонов S2 перевести в режим настройки (▼).

5. Замкнуть крайние клеммы на правой боковой панели настроечным сопротивлением.

6. Ручкой компенсации К (правая верхняя ручка) довести показания прибора до 0.

7. Вынуть сопротивление.

8. Ручкой калибровки (▼) (правая нижняя ручка) отрегулировать показания прибора до 10.

9. Левый рычаг (переключатель S1) перевести в режим измерения (GR).

10. Подсоединить датчик к клеммам на правой панели.

11. Налить в стаканчик исследуемый раствор и опустить в него датчик. Электроды датчика должны быть погружены в раствор.

12. Измерить сопротивление раствора в диапазоне Ω (Омы), если измерение невозможно, перевести переключатель диапазонов S2 в положение кΩ (килоомы).

13. Поместить электроды в стаканчик с водой.

14. Отключить датчик, выключить прибор.

Примечание. Пункты с 1 по 7 выполняет лаборант перед началом занятий.

Экспериментальная часть

1. Приготовьте по 100 мл растворов уксусной кислоты с концентрациями, заданными преподавателем, из исходного концентрированного раствора. Для этого сначала рассчитайте, какой объем исходного раствора необходимо взять, чтобы при разбавлении его до 100 мл получился раствор нужной концентрации. Для расчета можно использовать следующую формулу V₁ = 100 ∙ C_н(2) /С_н(1), (4.10) где C_н(2) и С_н(1) – нормальные концентрации исходного и заданного растворов, соответственно. С помощью бюретки введите в мерную колбу на 100 мл рассчитанный объем V₁ исходного раствора, долейте воды до отметки и перемешайте полученный раствор.

2. Проведите измерение сопротивления заданных растворов. Для этого ополосните приготовленным раствором датчик и стаканчик, в котором производится измерение. Залейте в стаканчик свежую порцию раствора и опустите в него датчик. Количество раствора в стаканчике должно быть таким, чтобы электроды датчика были полностью погружены в него. Произведите измерение сопротивления раствора. Вылейте раствор из стаканчика, сполосните его и датчик раствором другой концентрации, налейте свежую порцию этого раствора и измерьте его сопротивление. По окончании всех измерений в стаканчик наливается вода.

3. Составьте таблицу по образцу

№ о п ы т а	Норм. конц. раств. Сэ	Сопро- тивле- ние раств. Rх	Пос- тоян ная дат- чика k	Уд. элект- ропро- вод. χ	Экви- вал. эл.- пров. λ	Пре дель- ная эл. пров, λ 0	Сте- пень дис- социа- ции λ	Конст. диссо- циаии Кдисс.
1
2
∙∙∙

Обработка и оформление полученных результатов

1. Рассчитайте для каждого раствора удельную электропроводность χ (уравнение 4.6), эквивалентную электропроводность λ (уравнение 4.7), степень диссоциации ά (уравнение 4.9), константу диссоциации К_дисс. (уравнение 4.4) и внесите полученные величины в таблицу.

2. Постройте на миллиметровой бумаге график зависимости степени диссоциации ά от нормальной концентрации раствора С_н.

3. Найдите среднее экспериментальное значение константы диссоциации уксусной кислоты К_{дисс. ср.}

4. Рассчитайте относительную ошибку опыта при определении константы диссоциации уксусной кислоты К_{дисс. ср.} по формуле e(%)=±[(К_{дисс. теор.}- К_{дисн. ср.})/К_{дисс. теор.}] ∙ 100(%), (4.11) где К_{дисс.. теор.} – табличное значение константы диссоциации уксусной кислоты при 25^ОС, равное 1,8 10^-5.