Колоидная

В момент часу τ1 розчин мав температуру Т1. З часом розчин охолоджується за

прямою ас. У точці с розчин настільки переохолоджується, що починає замерзати і утворюються кристали розчинника (води). Виділення льоду підвищує температуру розчину за рахунок теплоти кристалізації і в точці d часу 3 розчин буде мати температуру

замерзання розчину Т31 .

Рис. 3.3. Термографічна крива охолодження розчину

Різниця між величинами Т3о (температура замерзання розчинника) і Т31 (температура замерзання розчину) визначає величину Т.

Завдання на виконання роботи

1.За допомогою кріоскопа провести дослідження щодо замерзання розчинника при поступовому зниженні температури в часі.

2.Побудувати термографічну криву та визначити температуру замерзання розчинника.

3.Провести аналогічні експерименти з розчином певної концентрації.

4.Визначити зниження температури замерзання розчину в порівнянні з розчинником.

5.Визначити молярну масу розчиненої речовини.

Установки, прилади, лабораторний посуд, реактиви

Кріоскоп (мікрохолодильник), випрямлювач постійного струму, термометр Бекмана, пробірка, мішалка, вода, сіль.

Мікрохолодильник використовують для одержування низьких температур за допомогою термоелектричної батареї. Під час проходження постійного струму крізь контакт різнорідних провідників в залежності від напрямку струму виділяється або поглинається деяка кількість теплоти. В патрон мікрохолодильника вставляють пробірку з широким горлом, закривають її корком, в який вставлено термометр Бекмана та мішалку.

Термометр Бекмана використовують для визначення відносної відносної зміни температури (до 5–6 ºС), має ціну поділки 0,01 ºС. Він із великою точністю вимірює малі зміни температури. Термометр складається з основного і додаткового резервуарів ртуті, сполучених між собою капіляром. Лаборант налаштовує термометр для кріометричних вимірювань.

21

Порядок виконання роботи

1.В суху широкогорлу пробірку наливають таку кількість розчинника, щоб його рівень був вищий ртутної кульки термометра на 8–10 мм. Поміщений

впробірку з рідиною термометр Бекмана з мішалкою треба встановити так, щоб відстань між ртутною кулькою і стінками пробірки була приблизно однаковою знизу і з боків. Потім термометр витягують з пробірки і вимірюють об’єм цієї рідини мірним циліндром. Вважаючи, що густина води дорівнює одиниці, визначають масу розчинника g1.

2.Пробірку з розчинником, термометром Бекмана та мішалкою встановлюють в патрон мікрохолодильника і при постійному перемішуванні охолоджують розчинник. За термометром Бекмана визначають зниження температури з часом до встановлення рівноваги (до сталої температури, дослід повторюють двічі).

3.Будують термограму охолодження і визначають температуру замерзання розчинника Т30, тобто коли в рівновазі знаходяться три фази пара– вода–лід (рис. 3.2). Коли замерзне вся вода іде переохолодження льоду.

4.Виймають з пробірки термометр Бекмана. Отримують робочу сіль і в широкогорлу пробірку вносять речовину, що розчиняється шляхом висипання із попередньо зваженої на технічних терезах маленької пробірки. Потім маленьку пробірку знову зважують. За різницею визначають масу наважки розчиненої речовини g2.

5.При постійному перемішуванні охолоджують розчин і за термометром

Бекмана визначають зниження температури з часом до встановлення рівноваги (дослід повторюють двічі), фіксують температуру замерзання розчину Т31.

6.Будують термограму охолодження і визначають температуру замерзання розчину Т31 (рис. 3.3). Розбіжність між двома послідовними вимірами не повинна перевищувати 0,01 ºС.

Опрацювання результатів

1. Обчислюють зниження температури замерзання розчину за рівнянням

3.8.

2.При визначенні істинної молярної маси електролітів кріометричним методом, необхідно використовувати органічні розчинники, в яких розчинена речовина не дисоціює. Обчислюють молярну масу розчиненої речовини за рівнянням 3.13.

3.Порівнюють одержані значення молярної маси з довідковими значеннями, що знаходяться у лаборанта.

4.Якщо розчинена речовина неелектроліт, визначають похибку вимірювань і на цьому роботу закінчують.

5.Якщо розчинена речовина електроліт, визначена молярна маса буде “уявною”, тобто значно меншою за дійсне значення за рахунок процесу дисоціації розчиненої речовини. Тому знаходять відношення Міст Муяв і.

22

6. Знаючи і (ізотонічний коефіцієнт), можна визначити ступінь дисоціації за рівнянням 3.16.

Питання для самоперевірки

1.Сформулюйте закон Рауля. Для яких розчинів справджується цей закон ?

2.Властивості якого компоненту розчину (розчиненої речовини чи розчинника) визначають кріоскопічну сталу?

3.Поясніть взаємозв’язок між зниженням тиску насиченої пари розчинника над розчином та зниженням температури замерзання розчину.

4.Поясніть зміст поняття “уявна” молярна маса розчиненої речовини.

5.Як практично визначити температуру замерзання розчину? Як визначити зниження температури замерзання розчину порівняно з розчинником?

6.Як визначити ступінь дисоціації слабкого електроліту за зниженням температури замерзання розчину?

7.Як обчислити молярну масу розчиненої речовини – неелектроліту за зниженням температури замерзання розчину?

8.Особливості термометра Бекмана. З якою точністю і в яких межах можна проводити виміри цим приладом?

9.Які величини можна розрахувати після експериментального визначення температури замерзання розчину?

Лабораторна робота №4

ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ РОЗЧИНІВ ЕЛЕКТРОЛІТІВ

Мета роботи ознайомитися з класичним методом визначення електропровідності розчинів слабких та сильних електролітів та навчитися розраховувати питому та еквіваленту електропровідності розчинів електролітів, ступінь та константу дисоціації розчинів слабких електролітів та коефіцієнт електропровідності сильних електролітів.

Теоретичні відомості

За електричною провідністю розрізняють провідники першого і другого роду. До перших належать всі метали та їх сплави, а до других – розчини і розплави електролітів. В розчинах електролітів електричний струм проводиться за допомогою іонів, які переміщуються до відповідних електродів.

Згідно з теорією Арреніуса, молекули електролітів у водних розчинах дисоціюють на іони, які і переносять електричний струм. Одні електроліти дисоціюють в розчинах повністю (сильні), інші частково (слабкі). Електрична провідність слабких електролітів визначається в основному ступенем дисоціації, яка залежить від концентрації електроліту і температури.

23

Властивість систем проводити електричний струм визначається опором або електричною провідністю. Опір R провідника пропорційний

його довжині l (м) і обернено пропорційний площині поперечного перерізу S (м2).

а питомa електричнa провідність – величина, обернена питомому опору, См/м:

Питома електрична провідність електроліту – електрична провідність розчину об’ємом 1 м3, що міститься між двома паралельними електродами, площа кожного з яких становить 1 м2.

Питома електрична провідність являє собою струм, який переноситься через одиницю поперечного перерізу при градієнті потенціалу 1 В/м. Питома електрична провідність визначається швидкістю руху іонів (рухливістю), їх концентраціями в розчині і температурою.

Еквівалентна електрична провідність (молярна) визначається як електрична провідність розчину, в об’ємі якого міститься 1 г-екв розчиненого електроліту і який розміщений між двома паралельними металевими провідниками, віддаленими один від одного на 1 м, [См м2 /моль].

де = 1/С розведення, тобто число літрів розчину, в якому міститься 1 г-екв розчиненої речовини. Враховуючи швидкість руху іонів (катіонів та аніонів) ( k a ) , ступінь дисоціації електроліту , коефіцієнт

електропровідності f , можна записати:

Залежність від концентрації наведена на рис.4.1.

Питома електрична провідність розчинів зростає зі збільшенням концентрації електролітів до певної межі, тому що в 1 мл об’єму збільшується кількість переносників електричного струму – іонів. Як видно з рис.4.1, для слабких електролітів при деякій концентрації питома

24

нескінченному розведенні підпорядковується правилу адитивності, тому коли

Математичний вираз рівняння (4.8) отримав назву закону Кольрауша: еквівалентна електрична провідність при нескінченному розведенні дорівнює сумі рухливостей іонів.

Електрична дисоціація являє собою зворотній процес, тому до нього може бути застосований закон діючих мас і константа електролітичної дисоціації, наприклад, для оцтової кислоти може бути записана

КСН ССН3СОО

ДССН3СООН

Якщо загальна концентрація С, а ступінь дисоціації ,

СН ССН3СОО С ССН3СООН С (1 ) .

Тоді константа дисоціації з врахуванням (4.9) буде мати вигляд:

Рівняння (4.10) дістало назву закону розведення Оствальда, відповідно до якого константа електролітичної дисоціації за сталої температури не залежить від концентрації розчину (як константа рівноваги процесу дисоціації).

Електрична провідність розчинів сильних електролітів

Сильні електроліти внаслідок повної дисоціації не підлягають закону діючих мас. Еквівалентна електрична провідність сильних електролітів відрізняється від такої слабких електролітів не тільки значенням, але й характером залежності від концентрації. Так, якщо

навести графічно залежність від С , для слабких електролітів у ділянці великих розведень одержується крива, а для сильних — пряма лінія, яка описується емпіричним рівнянням

В цьому рівнянні коефіцієнт а залежить від природи розчинника і температури. В цілому другий член рівняння а С xaрактеризує зменшення електричної провідності за рахунок взаємного гальмування іонів. Для визначення ∞ проводять лінійну екстраполяцію до нульової концентрації. Відрізок, який відсікається на осі ординат, відповідає значенню ∞. Одержані значення порівняють з вирахуваними за рівнянням (4.8), яке

26

справедливе для розведених розчинів сильних електролітів. Відношення електричної провідності за даної концентрації до електричної провідності при нескінченному розведенні для сильних електролітів називається коефіцієнтом електричної провідності

Цей коефіцієнт може приймати значення менше одиниці не в результаті неповної дисоціації, а за рахунок міжіонної взаємодії.

Методика виміру електричної провідності

Схему приладу для визначення опору провідника наведено на рис.4.3. Вона принципово не відрізняється від схеми моста для вимірювання опору провідників першого роду. Перша відмінність схеми полягає в тому, що для живлення моста тут застосовується не постійний, а змінний струм. Це є необхідним для того, щоб уникнути електролізу розчину і поляризації електродів. Суть цього явища: в результаті проходження постійного струму через розчин електроліту, наприклад, у розчині СН3СООН, на електродах відбуватимуться такі процеси:

на катоді 2Н++ 2е→2Н→Н2 на аноді 4ОН–– 4е→О2+2Н2О

Таким чином, при вимірах опору електроліту буде додаватися опір на електродах в результаті газовиділення. Джерелом змінного струму, як правило, є генератори звукової частоти. Задовільні результати одержують при вимірюванні з використанням струму промислової частоти (50 Гц). Так, на схемі (рис. 4.3) струм від джерела надходить в точку А, де він

повертається до джерела. Повзучий контакт К дозволяє, змінюючи співвідношення опорів R1 і R2,

досягти відсутності струму в ланцюгу ОК, що фіксується індикатором (НІ). У якості індикатора може бути використаний осцилограф або гальванометр змінного струму.

Завдання на виконання роботи

27

1.Визначити електричну сталу посудини (електролітична комірка).

2.Встановити залежність питомої електропровідності від концентрації слабких та сильних електролітів.

3.Встановити залежність еквівалентної електропровідності від концентрації слабких та сильних електролітів.

4.Визначити ступінь дисоціації та константу дисоціації залежно від концентрації слабких електролітів.

5.Визначити коефіцієнт електропровідності сильних електролітів.

Установки, прилади, лабораторний посуд, реактиви

Реохордний міст Р-38, посудина для вимірів, електричні провідники І роду, 0,02 н розчин КСl, розчини електролітів, піпетки на 20 або 25 мл.

Лабораторна робота № 4.1 ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТІ РОЗЧИНІВ СЛАБКИХ

ЕЛЕКТРОЛІТІВ

Порядок виконання роботи

1. Визначення сталої посудини проводять за допомогою 0,02 н розчину КСl, питомий опір якого відомий. В посудину, попередньо промиту цим же розчином наливають його стільки, щоб рівень рідини на 3–5 мл перевищував верхній край електродів. Визначають Rx з використанням моста Р-38 і підставляють в рівняння

2.Вимірюють опори розчинів електроліту різної концентрації. Для цього

впосудину, яку попередньо промили цим же розчином, заливають розчин елекроліту того ж об’єму, що і при визначенні сталої посудини, а потім методом послідовного розведення одержують розчини 1:1; 1:2; 1:4; 1:8; 1:16. Після кожного розведення розчини перемішують. При всіх вимірах об’єм рідини в посудині повинен бути одним і тим же. (Зауваження: в процесі роботи з мостом Р-38 необхідно слідкувати за надійністю контактів та відсутністю короткого замикання в ланцюгу електродів).

Опрацювання результатів

1. Розраховують питому електропровідність розчинів слабких електролітів

28

2.За формулами (4.4), (4.8), (4.9), (4.10) розраховують , , і КД для досліджуваних концентрацій. Для розрахунків значення к і a беруть із довідкових таблиць.

3.Одержані дані заносять до табл.2.

Таблиця 2

4.Знаходять середнє значення константи дисоціації і порівнюють його з табличним.

5.Будують графіки залежностей ( , , ) = f(C).

Лабораторна робота № 4.2 ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТІ РОЗЧИНІВ СИЛЬНИХ

ЕЛЕКТРОЛІТІВ

Порядок виконання роботи

1.Визначення сталої посудини проводять відповідно до п.1 роботи № 4.1.

2.Вимірюють опори розчинів електроліту різної концентрації відповідно до п.2 роботи № 4.1.

Опрацювання результатів

1.За формулами (4.14) та (4.4) обчислюють питому та еквівалентну електропровідність.

2.Одержані дані заносять до табл. 3.

3.Еквівалентну електропровідність за нескінченного розведення

знаходять за графіком в координатах – С , отриману пряму лінію екстраполюють на вісь ординат, точка перетину з ординатою дає значення .

4.Отриману величину порівнюють із розрахованою за рівнянням (4.8).

5.Розраховують коефіцієнт електропровідності для всіх концентрацій за формулою (4.12).

Оцінка похибки вимірювань

1. В загальну похибку входить відносна похибка вимірів електропровідності, яка дорівнює:

29

де R – абсолютна похибка при вимірах плеча моста. Відношення тим більше, чим менше плече. Похибка мінімальна при R1 = R2. Для обчислення похибки при вимірах електропровідності слід брати до уваги похибки при вимірах сталої посудини і розчину електроліту.

Прийнявши R 2мм і R1 = R2 = 250мм , отримаємо:

У відповідності з цим, питому електропровідність слід розраховувати з точністю до третьої значущої цифри. Але це в кращому випадку.

2.Похибка роботи самого моста Р-38 складає 5 % .

3.Похибка при заповненні посудини розчином за допомогою піпетки на 20

мл складає приблизно 0,3/20=0,015; тобто 1,5 % .

4. Таким чином, загальна похибка може сягати 10 % .

Аналіз одержаних результатів, висновки

На основі аналізу результатів дослідів та керуючись довідниковими даними, студенти роблять висновок про приналежність досліджуваного електроліту до того чи іншого класу.

Питання для самоперевірки

2.Охарактеризуйте типи провідників.

3.Чим відрізняються сильні електроліти від слабких?

4.Що називають питомою електричною провідністю розчину? Як змінюється її значення з концентрацією в сильних та слабких електролітах? Які фактори зумовлюють цю зміну?

5.Як експериментально вимірюють питому електричну провідність? Одиниця питомої електричної провідності.

6.Що називається еквівалентною електричною провідністю? Як змінюється її значення зі зменшенням концентрації розчинів сильних та слабких електролітів? Чинники, що зумовлюють зміну. Одиниця еквівалентної електричної провідності.

7.Що називають абсолютною швидкістю іону, рухливістю? Сформулюйте закон Кольрауша.

8.Сформулюйте закон розведення Оствальда.

9.Який зв’язок існує між ступенем дисоціації та ізотонічним коефіцієнтом?

10.Охарактеризуйте схему та принцип вимірювання електричної провідності. Чому вимір опору розчинів електролітів рекомендують проводити

звикористанням змінного струму?

11.Стала посудини та її вимірювання. Одиниця сталої посудини.

30