1.WSTĘP TEORETYCZNY

Pomiary przewodnictwa roztworów elektrolitów znajdują wiele zastosowań praktycznych. Ze względu na zależność przewodnictwa od stężenia elektrolitu, pomiary te wykorzystuje się w analizie instrumentalnej do oznaczenia punktu końcowego miareczkowania. Metoda której celem jest oznaczenie końcowego punktu miareczkowania poprzez badanie zmian przewodnictwa roztworu nosi nazwę miareczkowania konduktometrycznego. Jest ona szczególnie przydatna w przypadku miareczkowania słabych elektrolitów oraz roztworów barwnych, gdzie użycie wskaźników jest niemożliwe. Miareczkowanie konduktometryczne znajduje również zastosowanie w badaniach reakcji strąceniowych.

Jak wiadomo, przewodnictwo roztworu elektrolitu definiowane jest jako odwrotność oporu R przewodnika. Jednostką przewodnictwa jest Siemens [S = Ω^-1]

λ = 1/R

Zgodnie z prawem Ohma, opór przewodnika R [Ω]jest proporcjonalny do jego długości l [m] i odwrotnie proporcjonalny do przekroju poprzecznego A [m²]:

R = ρ(l/A)

Współczynnikiem proporcjonalności jest wielkość charakterystyczna dla danego przewodnika zwana oporem właściwym ρ [Ω m]. Uwzględniając wyrażenie (2) przewodnictwo roztworu można opisać zależnością:

λ = 1/R = (1/ρ)(A/l)

Odwrotność oporu właściwego nazywana jest przewodnictwem właściwym κ (kappa), a jego wymiarem jest [S m^-1]

κ = 1/ρ = λ(l/A)

Zgodnie ze wzorem (4), przewodnictwo właściwe jest to przewodnictwo roztworu elektrolitu umieszczonego pomiędzy elektrodami o jednostkowej powierzchni 1m² oddalonymi od siebie o 1 m. Występujący w powyższym wzorze stosunek l/A nazywany jest stałą czujnika konduktometrycznego (stałą naczyńka) K_n [m^-1]

K_n = 1/A = κ/λ

Zatem:

κ = K_nλ

Chemiczną miara przewodnictwa roztworów elektrolitów jest przewodnictwo molowe Λ które oblicza się dzieląc przewodnictwo właściwe κ przez stężenie roztworu:

Λ = κ/c = κV

gdzie: c - stężenie roztworu w mol m^-3, V - objętość roztworu elektrolitu, w której zawarty jest 1 mol elektrolitu.

Zdefiniowane powyżej wielkości odnoszą się do układu SI. W badaniach nad roztworami elektrolitów nadal często stosowany jest tradycyjny system jednostek, w którym przewodnictwo właściwe κ ma wymiar [S cm^-1], stała czujnika konduktometrycznego K­_n [cm^-1], a stężenie roztworu c [mol dm^-3]. W takim przypadku wzór (7) przyjmuje postać:

Λ = (κ*1000)/c

Jednostką przewodnictwa molowego jest 1s cm² mol^-1. Przewodnictwo molowe mocnego elektrolitu Λ jest sumą przewodnictw jonowych:

Λ = v₊λ₊+v_-λ_-

W przypadku słabych elektrolitów należy uwzględnić stopień dysocjacji α i wówczas równanie (9) przybiera postać:

Λ = α(v₊λ₊+v_-λ_-)

W przenoszeniu ładunku w roztworach elektrolitów uczestniczą zarówno kationy jak i aniony, zatem zdolność roztworu do przewodzenia prądu zależy od liczby jonów i ich ruchliwości. Ruchliwością jonu u nazywamy prędkość poruszania się jonu pod wpływem pola elektrycznego o natężeniu jednostkowym:

u = v/E

gdzie u- ruchliwość jonu [m² s^-1 V^-1], v - prędkość poruszania się jonu [m s^-1], E - natężenie pola elektrycznego [V m^-1].

W tradycyjnym układzie jednostek ruchliwość jonu ma wymiar [cm² s^-1 V^-1]

Można wykazać, ze ruchliwość jonu jest wprost proporcjonalna do jego ładunku, a odwrotnie proporcjonalna do promienia jonu w roztworze. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego jonu. Reguła ta nie dotyczy jonów wodorowych i wodorotlenowych, które w roztworach wodnych wykazują anomalnie duże ruchliwości na skutek innego ( w porównaniu z pozostałymi jonami), mechanizmu wędrówki tych jonów w wodzie. Ruchliwość jonu związana jest z przewodnictwem jonowym λ_i wzorem:

λ_i = z_iFu_i

gdzie: z_i - liczba ładunkowa, F- stała Faradaya, u_i- ruchliwość jonu.

W przypadku elektrolitu nieskończenie rozcieńczonego, uwzględnienie zależności (12) we wzorze (9) prowadzi do równania:

Λ = F(u₊ + u_-)

Porównując stronami zależności (8) i (13) otrzymujemy wzór (14), z którego wynika, że w określonej temperaturze, przy ustalonej powierzchni elektrod i odległości pomiędzy nimi, przewodnictwo właściwe roztworu elektrolitu jest funkcją tylko stężenia i ruchliwości jonów

κ = F(c/1000) (u₊ + u_-)

Pomiar przewodnictwa właściwego roztworu lub proporcjonalnego do niego przewodnictwa (λ=1/R) można zatem wykorzystać, w przypadku miareczkowania opartego na reakcjach jonowych, do wyznaczenia punktu końcowego miareczkowania (PK). Przebieg miareczkowania konduktometrycznego przedstawia się graficznie w postaci zależności zmierzonego przewodnictwa od objętości dodawanego roztworu mianowanego. Pomiaru przewodnictwa roztworu elektrolitu dokonujemy za pomocą specjalnego naczynka pomiarowego lub czujnika konduktometrycznego włączonego w układ mostkowy zasilany prądem zmiennym o częstości zazwyczaj 1kHz. Użycie prądu zmiennego praktycznie zapobiega elektrolizie badanego roztworu.

2.CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie punktu końcowego miareczkowania mocnego kwasu (HCl) mocną zasadą (NaOH), oraz miareczkowanie mieszaniny mocnego i słabego kwasu (HCl + CH₃COOH) mocną zasadą (NaOH)

3.TABELA WYNIKÓW POMIARÓW

• - miareczkowanie mocnego kwasu (HCl) roztworem NaOH

VNaOH [cm^3]	Przewodnictwo (ms)
0	1,52
1	1,40
2	1,30
3	1,18
4	1,05
5	0,95
6	0,81
7	0,70
8	0,59
9	0,46
10	0,41
11	0,50
12	0,52
13	0,67
14	0,85
15	0,90
16	1,02
17	1,10
18	1,14
19	1,20
20	1,30
21	1,41
22	1,48
23	1,54
24	1,60
25	1,70

• miareczkowanie mieszaniny mocnego(HCl) i słabego(CH₃COOH) kwasu roztworem NaOH

VNaOH [cm^3]	Przewodnictwo (ms)
0	1,55
1	1,42
2	1,27
3	1,20
4	1,08
5	0,98
6	0,87
7	0,75
8	0,66
9	0,56
10	0,52
11	0,53
12	0,55
13	0,58
14	0,60
15	0,62
16	0,65
17	0,69
18	0,70
19	0,72
20	0,80
21	0,89
22	0,95
23	1,03
24	1,12
25	1,20

4.OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW

• dla roztworu mocnego kwasu HCl

• sporządzam wykres zależności przewodnictwa r-ru mocnego kwasu od objętości dodawanego titranta. Z wykresu odczytuje PK miareczkowania dla mocnego kwasu

PK = 9,65 [ml]

• obliczam ilość kwasu HCl otrzymanego do miareczkowania

m_HCl = V_PK * C_NaOH * M_HCl

m_HCl = 0,00965 [dm³] * 0,1 [mol dm^-3] * 36[g mol^-1]

m_HCl = 0,0347 [g]

• dla mieszaniny mocnego (HCl) i słabego(CH₃COOH) kwasu

• sporządzam wykres zależności przewodnictwa r-ru mieszaniny mocnego i słabego kwasu od objętości dodawanego titranta. Z wykresu odczytuje PK miareczkowania dla mieszaniny kwasów:

PK₁ = 9,35

PK₂ = 18,95

• obliczam ilość kwasów zawartych w mieszaninie ze wzoru:

m_HCl = V_PK * C_NaOH * M_HCl

m_HCl = 0,00935 [dm³] * 0,1 [mol dm^-3] * 36[g mol^-1]

m_HCl = 0,0337 [g]

m_CH3COOH = (V_PK2 - V_PK1) * C_NaOH * M_CH3COOH

m_CH3COOH = (0,01895 - 0,00935) [dm³] * 0,1 [mol dm^-3] * 60[g mol^-1]

m_CH3COOH = 0,0576 [g]

5.WNIOSKI

Za pomocą miareczkowania konduktometrycznego określiłem zawartość kwasów w badanych próbkach. Dla miareczkowania mocnego kwasu HCl, ilość kwasu wynosi 0,0347 g, zaś dla miareczkowania mieszaniny kwasów, ilość HCl w próbce to 0,0337 g, oraz CH₃COOH 0,0576 g. Punkty pomiarowe odbiegają trochę od ideału. Może to być spowodowane niedostateczne dobrze wymieszanym roztworem podczas dodawanego titranta, oraz nieszczelnością biurety.

5

---