- •Isbn 5-861852-282-0 © Мурманский государственный технический университет, 2006
- •© Николай Георгиевич Воронько оглавление Предисловие
- •Лабораторная работа 1 Рефрактометрия и строение молекул
- •Краткие теоретические сведения
- •Экспериментальная часть
- •Измерение и обработка результатов измерения
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа 2 Калориметрия. Определение интегральной теплоты растворения хорошо растворимой соли
- •Краткие теоретические сведения
- •Зависимость энтальпии реакции от температуры. Закон Киргофа
- •Значения теплоты растворения (Нраст) некоторых веществ в воде [1], [2]
- •Энтальпия гидратации ионов и солей в кДжмоль-1[1], [4]; радиусы ионов в пм
- •§5. Структурная температура и растворимость солей
- •Время ядерной спин-решеточной релаксации воды т1 при 21 с
- •§ 6. Растворимость в воде неполярных газов
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Примеры решения задач
- •Контрольные задачи
- •Cтандартные мольные энтальпии образования при 25 с (в кДж/моль)
- •Cтандартные мольные энтальпия образования и сгорания веществ при 25 с (в кДж/моль)
- •Энтальпия фазовых переходов Нm (в кДж/моль)
- •Значения энергии разрушения кристаллической решетки (Екр), энергии гидратации (Нгидр) и теплоты растворения (Нраст) некоторых солей в воде
- •Энтальпия кристаллической решетки (н) при 25 с [1], энергия гидратации (Нгидр) и теплоты растворения (Нраст) некоторых солей в воде
- •Лабораторная работа 3 Определение молярной массы растворенного вещества методом криометрии
- •Краткие теоретические сведения
- •Значения эвтектических температур водных растворов различных солей
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Выводы: Контрольные вопросы
- •Примеры решения задач
- •Контрольные задачи
- •Лабораторная работа 4 изучение электрической проводимости растворов электролитов
- •Краткие теоретические сведения
- •Экспериментальная часть Измерение электропроводности растворов электролитов методом компенсации
- •Измеритель rcl р5030
- •Порядок измерения сопротивления растворов электролитов на измерителе rcl р5030
- •Калибровка кондуктометрической ячейки
- •Опыт 1. Определение электрической проводимости растворов слабого электролита различной концентрации Порядок выполнения
- •Опыт 2. Определение электрической проводимости растворов сильного электролита различной концентрации Порядок выполнения
- •Контрольные вопросы
- •Контрольные задачи
- •Рекомендуемая литература
- •Использованная литература
- •Лабораторная работа 5 фотометрическое изучение кинетики разложения комплексного иона триоксалата марганца
- •Краткие теоретические сведения
- •Основные понятия и определения формальной кинетики
- •Средняя и истинная скорость реакции
- •Закон действующих масс
- •Принцип независимости протекания реакций
- •Вычисление констант скорости реакций различных порядков
- •Способы определения порядка реакции
- •Экспериментальная часть
- •1. Фотометрический метод.
- •Аппаратура и техника измерений
- •Порядок измерения оптической плотности на колориметре кфк-2
- •Порядок измерения оптической плотности на фотометре кфк-3
- •Фотометрическое изучение кинетики разложения комплексного иона триоксалата марганца
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Контрольные задачи
- •Рекомендуемая литература
- •Использованная литература
- •Литература
Экспериментальная часть Измерение электропроводности растворов электролитов методом компенсации
Так как электропроводность – это величина, обратная электрическому сопротивлению, то определение электропроводности растворов электролитов сводится к измерению их сопротивления методом компенсации. Сущность этого метода заключается в сравнении неизвестного сопротивления с известным и используется в мостах переменного тока.
На рис. 5 представлена схема четырехплечного моста переменного тока (моста Кольрауша), состоящего из четырёх замкнутых ветвей (плеч) AB, BC, AD, DC, имеющих омическое сопротивление соответственно: R1, RX, R2, R3 (RX – это искомое сопротивление раствора электролита).
Рис. 5. Схема моста переменного тока (моста Кольрауша)
В диагональ АС моста (рис. 5) включают источник питания переменного тока. Необходимость использования переменного тока объясняется тем, что постоянный ток вызвал бы реакции электролиза на электродах, что привело бы к изменению концентрации и природы раствора электролита вблизи электродов (т. е. к поляризации электродов). Применение переменного тока исключает электродные реакции, поскольку та поляризация, которая происходит, когда ток течёт в одном направлении в первом полуцикле, уничтожается, когда ток течёт в противоположном направлении в следующем полуцикле. Обычно используется частота переменного тока около 1 кГц. В диагональ BD моста включают какой-нибудь нуль-инструмент, например чувствительный гальванометр.
По первому правилу Кирхгофа (1847) в точке А моста ток разветвляется и идёт по ветвям ABC и ADC. В каждом плече величина тока зависит от её сопротивления. Подбирая R1, R2 и R3 при постоянном сопротивлении RX, добиваются такого распределения токов в плечах моста, при котором ток в измерительной диагонали BD упадёт до нуля. Отсутствие тока в ней возможно при равенстве потенциалов в точках B и D. Это означает, что падения напряжения в плечах AB и AD и, соответственно, BC и DC должны быть равными. Такое состояние моста называется балансом.
Обозначив силу тока в ветви АВС через I1, а в ветви AD через I2 и выразив падение напряжения на ветвях моста через произведение силы тока на соответствующие сопротивления, получим: I1R1 = I2R2 и I1RX = I2R3, откуда
. (25)
Следовательно, баланс возможен, если соблюдается равенство соотношений сопротивлений ветвей моста.
Решаем уравнение (25) относительно искомого сопротивления раствора электролита RX:
. (26)
Если в мосте Кольрауша сопротивления R2 и R3 равны, то уравнение (26) запишется в виде
. (27)
Таким образом, в ходе эксперимента подбирается только сопротивление R1, которое в момент баланса будет равно искомому сопротивлению RX.
В мосте переменного тока достичь полного равенства потенциалов в точках B и D невозможно, так как в цепи переменного тока кроме активного омического сопротивления R существует реактивное сопротивление (XL – XC) (где XL индуктивное сопротивление, XC ёмкостное сопротивление). Индуктивное сопротивление XL определяется выражением
, (28)
где L – индуктивность, Гн (генри); – круговая частота, с1 ( = 2).
Ёмкостное сопротивление равно:
, (29)
где С – электрическая ёмкость, Ф.
Полное сопротивление цепи переменного тока Z, называемое импедансом, определяется выражением
. (30)
Таким образом, баланс моста определяется не отношением сопротивлений (25), а отношением импедансов:
. (31)
Чтобы добиться полного равенства потенциалов в точках B и D, нужно, по возможности, устранить реактивные сопротивления в отдельных плечах моста Кольрауша. Для этого следует брать короткие соединительные провода, контакты тщательно зачищать и пропаивать, ветви моста экранировать, а экран заземлять. Однако все эти меры не устраняют ёмкостного сопротивления кондуктометрической ячейки.
Кондуктометрическая ячейка – это система, состоящая из сосуда с раствором электролита и двух погруженных в раствор электродов (на рис. 5 она обозначена как сопротивление RX в плече моста ВС). На рис. 6, а представлена принципиальная схема кондуктометрической ячейки. Электроды ячейки изготовляют из платины, графита или нержавеющей стали; они закрепляются в обойме, крышке сосуда или впаиваются в стенки сосуда. Расстояние между электродами во время измерения сопротивления должно быть строго фиксированным.
а б
|
|
Рис. 6. Кондуктометрическая ячейка:
а – принципиальная схема; б – эквивалентная электрическая схема
Кондуктометрическую ячейку можно представить эквивалентной электрической схемой (рис. 6, б ), где RX – омическое сопротивление (определяемая величина), С1 и С2 – электрические емкости на поверхности раздела "электрод – раствор электролита". В кондуктометрической ячейке нет систем, подобных катушкам индуктивности, поэтому индуктивность ячейки L равна нулю. В соответствии с формулой (30) импеданс кондуктометрической ячейки определяется как
. (32)
Тогда после устранения реактивных сопротивлений в отдельных ветвях моста соотношение импедансов (31) примет вид
. (33)
Обычно RX , поэтому для приближенных расчетов можно использовать уравнения (26) и (27). Наличие емкостных сопротивлений С1 и С2 ячейки не позволяет свести к нулю силу тока в диагонали BD. В связи этим находят такое сопротивление R1 (если R2 = R3), при котором сила тока в измерительной диагонали моста BD оказывается наименьшей (это соответствует, например, минимальному отклонению стрелки гальванометра). При точных измерениях сопротивление компенсируют с помощью дополнительного конденсатора переменной емкости, включенной в цепь постоянного сопротивления.