POLITECHNIKA ŚLĄSKA

WYDZIAŁ CHEMICZNY

TEMAT ĆWICZENIA:

„Wyznaczanie przewodnictwa granicznego elektrolitów”

LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ

Kufelin Sandra

grupa 1

Inżynieria chemiczna i procesowa

1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie przewodnictwa granicznego elektrolitu, chromianu (IV) potasu- K₂CrO₄.

2. WSTĘP TEORETYCZNY

Opór elektryczny R, zwany też rezystancją, wyrażany jest w omach(Ω). Opór przewodnika równa się jednemu omowi, jeżeli niezmienne napięcie równe jednemu wlotowi istniejące na końcach przewodnika wywołuje w nim prąd o natężeniu jednego ampera.

Odwrotność oporu rezystancji nosi nazwę przewodności elektrycznej lub konduktancji i jej jednostką jest simens(S).

Chemiczną miarą przewodności roztworów elektrolitów jest przewodność molowa, definiowana jako:

gdzie:

κ- jest właściwą przewodnością elektrolityczną [ S/m],

c- stężeniem badanego roztworu [ mol/m³].

Przewodność molowa zależna jest od stężenia jonów zawartych w badanym roztworze, które są nośnikami ładunku w roztworze i w układzie SI wyrażana jest w jednostce simens razy metr do kwadratu na mol.

Im roztwór jest bardziej rozcieńczony tym wartość przewodności molowej jest większa. W nieskończenie wielkim rozcieńczeniu roztworu, gdzie stężenie dąży do zera i przewodnictwo molowe osiąga wartość graniczną mamy do czynienia z przewodnictwem granicznym.

Prawa dotyczące przewodności elektrolitów opisał Kohlrausch.

W przypadku elektrolitów mocnych przewodnictwo molowe w roztworach o nieskończenie wielkich rozcieńczeniach maleje liniowo według równania Kohlrauscha:

gdzie:

a- jest stałą

Przewodnictwo graniczne można wyznaczyć po pomiarach przewodnictwa molowego roztworu. Graficznie można to zrobić sporządzając wykres zależności Λ_m= f(√C) i ekstrapolacji do stężenia wartości zero.

Graniczną przewodność molową w elektrolitach słabych obliczamy korzystając z prawa Kohlrauscha o niezależnej wędrówce jonów, gdzie stałą Λ_m⁰ można wyrazić jako sumę wkładów pochodzących od kationów i anionów. Ma to związek z tym, iż w słabych elektrolitach wraz ze wzrostem stężenia przewodność molowa zmienia się na tyle szybko, że bardzo trudno wyznaczyć ją doświadczalnie. Dlatego stosujemy równianie:

gdzie:

λ_i⁰- jest granicznym przewodnictwem jonu i,

ν_i- liczbą moli jonu i

Przewodności jonowej nie można zmierzyć dzięki pomiarom przewodnictwa, ale może ona posłużyć przy wyznaczaniu trudnych do pomiaru przewodności granicznych słabych elektrolitów, np. CH₃COOH. Graniczną przewodność obliczamy tutaj jako kombinacje linową składników reakcji CH₃COONa, NaCl i HCl.

CH₃COOH= CH₃COONa+ HCl- NaCl

Jest to możliwe dzięki addytywności tej wielkości czyli możliwości określenia jej przez inne zsumowane składowe elektrolitów mocnych zawierających te same jony co elektrolit słaby.

3. WYKONANIE

Aparatura:

• mostek uniwersalny z opcją pomiarów zmiennoprądowych E-316

• termostat

• naczyńko konduktometryczne

Odczynniki:

• woda demineralizowana

• woda dejonizowana

• K₂CrO₄

Postępowanie w ćwiczeniu:

• Włączyć termostat i ustawić temperaturę 298 K.

• Przemyć woda destylowaną naczyńko termostatowane i elektrody, na koniec wodą demineralizowaną.

• W kolbie miarowej 250 cm³ przygotować roztwór wyjściowy K₂CrO₄ o stężeniu 2,0⋅10^-3 mol/dm³

• Z roztworu wyjściowego przygotować serię ośmiu roztworów rozcieńczonych o stężeniach 0,2⋅10^-3, 0,4⋅10^-3 ,0,6⋅10^-3 ,... ,1,4⋅10^-3 ,1,6⋅10^-3 mol/dm³ do kolb miarowych o poj.50cm³, odmierzając odpowiednio 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40cm³ roztworu wyjściowego i dopełniając woda dejonizowaną do kreski.

• Wyznaczyć przewodnictwo właściwe wody dejonizowanej.

• Zmierzyć opór serii roztworów zaczynając od najbardziej rozcieńczonego.

• Przygotować roztwór 0,001M KCl z roztworu 0,01 M i zmierzyć jego opór.

• Wykorzystując przewodnictwo właściwe 0,001 M KCl zmierzyć stałą naczyńka.

• Obliczyć przewodnictwo właściwe każdego z roztworów.

W obliczeniach uwzględnić przewodnictwo właściwe wody.

Schemat aparatury pomiarowej wykorzystanej przy wykonywaniu ćwiczenia.

IV.ANALIZA WYNIKÓW

Pierwszymi obliczeniami po wykonaniu ćwiczenia było określenie stałej naczyńka, która według obliczeń wynosi:

k_n= 0,05548 [m^-1].

Po otrzymaniu tego wyniku trzeba obliczyć przewodnictwo właściwe kolejno dla każdego z roztworów według wzoru:

gdzie:

k_n- stała naczyńka

R- opór zmierzony

Następnie obliczamy κ_rzeczywiste odejmując od otrzymanych wyników przewodnictwa właściwego wartość przewodnictwa właściwego wody, co ma związek z wahaniami jakości wody dejonizowanej wykorzystanej w ćwiczeniu.

Otrzymane wartości κ_rzeczywiste wstawiamy do wzoru:

w celu obliczenia wartości przewodnictwa molowego kolejnych roztworów rozcieńczonych i roztworu właściwego.

Rysujemy wykres zależności liniowej c^1/2 do Λ_m.

Do wyznaczenia molowego przewodnictwa granicznego korzystamy z regresji linowej zależności c^1/2 do Λ_m. Wyniki regresji przedstawiają się następująco:

wartość parametru a: -20,3852

po zaokrągleniu wartość parametru a: -20,4 ± 4

wartość parametru b: 0,8178 [m²Ω^-1mol^-1]

po zaokrągleniu wartość parametru b: 0,82 ± 0,13

Z regresji wynika, że wartość molowego przewodnictwa granicznego wynosi 0,8178[m²Ω^-1mol^-1].

Wyniki poszczególnych obliczeń znajdują się na karcie wyników dołączonej do sprawozdania.

TABELA WYNIKÓW

RKCl = .......... [Ω]			κKCl = .......... [S/m]			stała naczyńka kn = ..........[m^-1]
Rwody = .......... [Ω]			κwody = .......... [S/m]
L.p.	C [mol/dm^3]	√C		R [Ω]	κzmierzone [S/m]		κrzeczywiste [S/m]	Λm [m^2/Ωmol]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

V. WNIOSKI

W tym ćwiczeniu czynnością, która mogła powodować największe błędy był sam pomiar oporności. Powodem tego była dość duża bezwładność wskazań wskazówki pokazującej różnice między oporem mierzonym a kompensowanym. Najmniejsze wychylenie nie było w tym przypadku dość jednoznacznym kryterium i zazwyczaj efekt taki można było osiągnąć w zakresie 0.2 ∼ 0.4 jednostek podziałki oporu kompensującego. Jakkolwiek przy zakresie 10Ω dawało to niewielki błąd bezwzględny, tak już przy zakresie 10kΩ błąd ten sięgał tysięcy omów. Coraz to większy zakres pomiarowy był konieczny przy coraz to mniejszych stężeniach a co za tym idzie powyższy błąd sprzęgał się też z coraz to większym błędem stężenia roztworu. Ciężko było wychwycić odpowiedni moment i wartość, w którym wskazówka „obijała” od wartości zerowej.

Kolejnym kłopotem było odmierzenie odpowiedniej ilości K₂CrO₄ do sporządzenia roztworu wyjściowego o właściwym stężeniu oraz przygotowaniu pozostałych roztworów rozcieńczonych. Powodem błędów występujących na tym etapie jest sposób w jaki sporządzane były kolejne roztwory czyli metoda łańcuchową.

Ogólnie wyniki obliczeń przedstawiają się dosyć precyzyjnie, ze względu na niską wartość błędu względnego.

Analiza wykresu i wyników wykazuje, że K₂CrO₄ jest mocnym elektrolitem. Przewodnictwo równoważnikowe wzrasta liniowo, gdy maleje stężenie roztworu.

---