Rafał Zera

Ćwiczenie nr 2

Przewodnictwo wody i słabych elektrolitów. Wyznaczanie stałej dysocjacji słabych elektrolitów.

Wstęp:

Przewodnictwo jest miarą zdolności roztworu elektrolitu do przenoszenia prądu elektrycznego. Według II prawa Ohma, opór R elektrolitu znajdującego się pomiędzy elektrodami o powierzchni A i w odległości l, wynosi:

, gdzie

ρ jest opornością właściwą roztworu elektrolitu

Przewodnictwo właściwe  definiuje się jako odwrotność oporności właściwej:

Jest to przewodnictwo bloku roztworu o bokach równych 1m. Jednostką przewodnictwa jest
.

Przewodnictwo właściwe roztworu zależy od liczby obecnych w nim jonów, dlatego zazwyczaj wprowadza się przewodnictwo molowe
zdefiniowane jako:

gdzie:

c jest molowym stężeniem wprowadzonego elektrolitu. W układzie SI przewodnictwo molowe wyrażamy w S·m²·mol^-1.

Doświadczalnie stwierdzono, że przewodnictwo równoważnikowe maleje ze wzrostem stężenia dla słabych elektrolitów.

Zależność tą opisuje wzór:

; gdzie:

_  przewodnictwo graniczne, czyli przewodnictwo roztworu nieskończenie rozcieńczonego

k - wartość stała

Ponieważ przewodnictwo jest odwrotnością oporności właściwej to jego wartość mierzy się tymi samymi metodami co oporność.

Dla pomiarów przewodnictwa stosuje się mostek Kohlrauscha, gdzie zmiany na elektrodach wywołane przez pojedynczy impuls prądu zmiennego są odwracane przez impuls następny o kierunku przeciwnym, jeśli prąd zmienny jest symetryczny i ma wystarczająco dużą częstość (0,5 - 2kHz).

Przy pomiarze oporu z wykorzystaniem prądu zmiennego występują tzw. Opory pozorne zależne od indukcyjności, częstości prądu i pojemności elektrycznej przewodników. Dla usunięcia oporów pozornych w obwód włącza się porównawczy kondensator. Natomiast naczyńko w którym umieszcza się elektrolit musi mieć taką budowę, aby zapewnić jak najmniejszą pojemność elektryczną. Dla danego naczyńka stosunek l/A =k, zwany jest stałą naczynka lub pojemnością oporową. Wyznacza się go zgodnie z równaniem:

Oznacza to, że mierzymy opór naczynka z elektrolitem, którego przewodnictwo właściwe znamy.

Elektrolity słabe w roztworach dysocjują jedynie częściowo. Należą do nich słabe kwasy i zasady Br_Önsteda, takie jak CH₃COOH lub NH₃. Znaczna zależność przewodności od stężenia wynika z przesunięcia dla małych stężeń molowych następującej równowagi w kierunku produktów:

HA_(aq) + H₂O_(c) = H₃O⁺_(aq) + A^- _(aq)

Przewodność zależy od liczby jonów obecnych w roztworze, a zatem od stopnia dysocjacji α elektrolitu. Zgodnie z definicją stopnia dysocjacji kwasu HA o stężeniu molowym c w stanie równowagi spełnione są następujące zależności:

[H₃O⁺] = αc [A^-] = αc [HA] = (1-α)c

Zaniedbując współczynniki aktywności, stałą równowagi dysocjacji kwasu K_a możemy w przybliżeniu wyrazić wzorem:

Arrhenius próbując wyjaśnić zmianę przewodnictwa ze stężeniem przyjął, że współczynnik przewodnictwa jest równy stopniowi dysocjacji elektrolitu:

Łącząc dwa poprzednie wzory ze sobą otrzymujemy wzór na stałą równowagi obliczaną na podstawie pomiaru przewodnictwa:

Po przekształceniu tego wzoru otrzymujemy:

Zatem sporządzając wykres zależności
od
otrzymujemy linię prostą z wykresu, której możemy odczytać wartość K_a.

Literatura:

Chemia fizyczna. Praca zbiorowa. W-wa 1963 str. 669 -698

„Eksperymentalna chemia fizyczna”

Sobczyk L., Kisza A., Gatner K., Koll A. str. 313 - 315

Wykaz substancji chemicznych

nazwa substancji	CAS
Kwas octowy	64-19-7
kwas chlorooctowy	79-11-8
kwas benzoesowy	65-85-0

Oświadczenie:

Oświadczam, że zapoznałem się z kartami charakterystyk w/w substancji i znane mi są właściwości tych substancji, sposoby bezpiecznego postępowania z nimi oraz zasady udzielania pierwszej pomocy w nagłych wypadkach.

Cel wykonania ćwiczenia:

Wyznaczenie stałej dysocjacji słabego kwasu z wykorzystaniem pomiaru przewodnictwa tego kwasu.

Opis wykonania ćwiczenia

Najpierw zmierzyłem przewodnictwo wody destylowanej. Następnie dodawałam po 1cm³ roztworu kwasu, termostatowałem do ustalenia stałej temperatury i zmierzyłem przewodnictwo. Pomiary zakończyłem po dodaniu w sumie 7cm³ kwasu C₆H₅COOH o stężeniu 0,0205mol/dm³.

Przygotowałem 100cm³ 0,1000 molowego roztworu KCl i sporządziłem cztery roztwory o stężeniach: 0,0100; 0,0200; 0,0400 i 0,1000 mol/dm³. Zmierzyłem przewodnictwo. Zmierzyłem również przewodnictwo wody destylowanej jak i wodociągowej. Wyniki pomiarów przewodnictw roztworów oraz objętości wody destylowanej i wodociągowej zestawiłem w poniższych tabelach.

Wnioski:

Przy nieskończonym rozcieńczeniu elektrolit jest całkowicie zdysocjowany, a jego przewodność molowa jest równa granicznej przewodności molowej.

Obliczona na podstawie wyników z pomiarów stała dysocjacji K_śr =(1,624 ± 0,1389)×10^-5 [mol/dm³] tylko nieznacznie różni się od literaturowej wartości stałej dysocjacji K = 1,754 × 10^-5 [mol/dm³]. Wartość średnia stałej dysocjacji dosyć znacznie o wartości literaturowej stałej dysocjacji. Tak duża różnica pomiędzy tymi wartościami może być spowodowana błędami popełnionymi w czasie wykonywania eksperymentu. Bardzo duży wkład do sumarycznego błędu w pomiarach może mieć błąd związany z wyznaczeniem stałej oporowej naczynka, czy niedokładności w przygotowaniu roztworów.

Z wykresu nr 2 przedstawiającego zależność przewodnictwa molowego od stężenia roztworu wynika, że wraz ze wzrostem stężenia wartość przewodnictwa molowego maleje, a przy nieskończonym rozcieńczeniu przewodnictwo molowe osiąga wartość granicznego przewodnictwa molowego. Z wykresu nr 1 wynika natomiast, że wraz ze wzrostem stężenia wartość przewodnictwa właściwego rośnie.

---