Zaleno przewodnictwa elektrolitu od temperatury. Sprawdzanie reguy Waldena.
Celem wiczenia jest:
a. poznanie techniki pomiaru konduktancji cia w fazie ciekej
b. wyznaczenie przebiegu zalenoci konduktywnoci waciwej elektrolitów od temperatury
Wstp teoretyczny:
Do elektrolitów (przewodników II klasy) nale gównie roztwory soli, kwasów i zasad w wodzie lub w innych rozpuszczalnikach o duej przenikliwoci elektrycznej. Elektrolitami s substancje o wizaniach jonowych; grupy atomów o adunkach przeciwnego znaku przycigaj si siami kulombowskimi. Jeeli siy oddziaywania midzy jonami zostan znacznie zmniejszone, to doprowadzi to do zerwania wiza. Obojtne elektrycznie czsteczki ulegn wtedy dysocjacji, czyli rozpadowi na swobodne jony, zdolne do przewodzenia prdu. Przewodzenie prdu przez elektrolity - konduktancja jonowa - jest zwizana z transportem masy, bowiem nonikami prdu s jony o stosunkowo duej masie. Jonami dodatnimi s jony wodoru i metali, a ujemnymi - jony reszt kwasowych i grup - OH.
Stopniem dysocjacji elektrolitu nazywamy stosunek liczby czsteczek zdysocjowanych do ogólnej liczby czsteczek rozpuszczonych. Stopie dysocjacji zaley od: temperatury, stenia roztworu, rodzaju roztworu. Z chwil przyoenia do elektrolitu zewntrznego pola elektrycznego, tzn. z chwil zanurzenia do roztworu dwóch elektrod poczonych ze ródem napicia, na jony dziaaj siy elektryczne:
Pod ich wpywem istniejce w roztworze kationy zmierzaj do elektrody o potencjale niszym (katoda), a aniony do elektrody o potencjale wyszym (anoda). W elektrolicie nastpuje uporzdkowany ruch adunków elektrycznych, czyli pynie prd. Kierunek prdu jest kierunkiem ruchu adunków dodatnich - kationów.
Zjawisko przepywu prdu przez elektrolity wraz z towarzyszcymi mu procesami chemicznymi nazywamy elektroliz. Podczas elektrolizy na katodzie powstaj produkty redukcji (w wyniku przyczania elektronów do jonów), a na anodzie produkty utleniania (na skutek utraty elektronów przez jony). Opis ilociowy procesu elektrolizy daj prawa Faradaya:
I prawo Faradaya -
gdzie: m - masa substancji wydzielonej na kadej z elektrod podczas przepywu prdu o nateniu I przez elektrolit jest wprost proporcjonalna do adunku elektrycznego q, który w czasie t przepyn przez elektrolit, k - jest to równowanik elektrochemiczny.
II prawo Faradaya -
gdzie: stosunek mas m1 i m2 rónych substancji wydzielonych na elektrodach podczas przepywu jednakowych adunków elektrycznych równa si stosunkowi ich równowaników chemicznych (iloraz masy atomowej pierwiastka przez wartociowo) R1 i R2
Z obu praw wynika:
R1/k1 = R2/k2 = const. = F
gdzie F - jest sta FARADAYA ( adunek elektryczny potrzebny do wydzielania podczas elektrolizy jednego gramorównanika substancji na kadej z elektrod ). F w ukadzie Si wynosi:
F = 96500 C/mol
KONDUKTYWNO, czyli przewodno waciwa d moemy bezporednio obliczy ze wzoru:
d=(1/R)*(l/S)
poniewa pomidzy Konduktywnoci, a oporem waciwym zachodzi nastpujca zaleno: d=1/r, gdzie: r - opór waciwy. Aby obliczy d z tego wzoru musimy mie dan rezystancj i wymiary liniowe przewodnika elektrolitycznego. Konduktywno jest równie nazywana przewodnoci elektrolitu.
Konduktancja (przewodno czynna ) jest odwrotnie proporcjonalna do rezystancji elektrolitu:
G=C*(1/R)
Staa C jest zalena tylko od rozmieszczenia i ksztatu elektrod oraz od wymiarów geometrycznych naczynia z elektrolitem (woltametru). Jednostk przewodnictwa G jest jeden SIMENS: 1S=1/W = W-1
Ukad pomiarowy:
Ukad pomiarowy skada si z:
- wiskozymetru ( lepkociomierza ) Hoplera, w którym lepko wyznacza si przez pomiar czasu opadania kulki w cieczy;
- naczyko elektrolityczne wraz z sond;
- termostat - cao ukadu jest termostatowana tak, e zarówno przewodno jak i wspóczynnik lepkoci mierzone s w tej samej temperaturze;
- konduktometru cyfrowego N5711 - przyrzd ten mierzy bezporednio przewodnictwo, przewodno oraz sta K dla uywanej elektrody.
Przebieg pomiarów:
Umiecilimy elektrody w naczynku elektrolitycznym. Zmierzylimy przy pomocy wizkozymetru dwukrotnie lepko roztworu (mierzc czas opadania kulki) w temperaturze pokojowej (w naszym przypadku bya to temperatura ok. 26.3 °C). Ustawilimy konduktometr na pomiar temperatury i odczytalimy temperatur elektrolitu, a nastpnie ustawilimy konduktometr na pomiar przewodnoci s i zmierzylimy jej warto. Nastpne pomiary wykonalimy ustawiajc termometr kontaktowy na wysze temperatury (kolejno: 25, 30, 35, 40, 45 do 50°C).
Wyniki pomiarów zebralimy w tabeli:
temp. ustawiona [°C] |
temperatura rzeczyw.[°C] |
czas opadania kulki [s] |
redni czas opadania kulki [s] |
przewodno s [s/m] |
||
25 |
24,5 |
142 |
131 |
136,5 |
0,497 |
|
30 |
32,0 |
112 |
115 |
113,5 |
0,609 |
|
35 |
36,0 |
105 |
104 |
104,5 |
0,654 |
|
40 |
40,3 |
92 |
90 |
91,0 |
0,719 |
|
45 |
45,4 |
82 |
84 |
83,0 |
0,783 |
|
50 |
49,5 |
73 |
74 |
73,5 |
0,871 |
|
Opracowanie wyników dowiadczalnych:
Obliczamy warto wspóczynnika lepkoci korzystajc z zalenoci:
h = Kwt
gdzie: Kw - staa wiskozymetru = (0,0172 + 0,0001) [cP/s]
t - jest czasem opadania kulki midzy zewntrznymi kreskami wiskozymetru
POMIAR 1: dla temperatury 24,5 °C
h = Kw * t
h = 0,0172 * 136,5 [cP/s * s] = [cP]
h = 2,3478 [cP]
wyznaczamy bd bezwzgldny metod róniczki zupenej Dh
h = K * t
dh = (dK * t) + (K * dt)
Dh = (DK * t) + (k * Dt); gdzie: DK = 0,0001 [cP/s] i Dt = 2 [s]
Dh = (0,0001 * 136,5) + (0,0172 * 2) = (0,01365 + 0,0344) = 0,0480 [cP]
Dh = 0,0480 [cP]
Dla pozostaych pomiarów dokonalimy takich samych oblicze.
Wyniki zebralimy w poniszej tabeli:
temperatura [°C] |
24,5 |
32,0 |
36,0 |
40,3 |
45,4 |
49,5 |
warto h [cP] |
2,3478 |
1,9522 |
1,7974 |
1,5652 |
1,4276 |
1,2642 |
warto Dh [cP] |
0,0480 |
0,0457 |
0,0448 |
0,0435 |
0,0427 |
0,0417 |
Na wykresie przedstawilimy zaleno wspóczynnika lepkoci od temperatury:
Sporzdzamy wykres zalenoci przewodnoci elektrolitu od temperatury:
Sprawdzenie reguy Waldena:
h * s = const
- pomiar 1: dla 24,5 °C
x = h * s = 2,3478 * 0,497 = 1,17
obliczamy bd bezwzgldny Dx dla iloczynu h*s:
Dh - bd charakterystyczny dla danego pomiaru;
do obliczenia Ds stosujemy wzór
Ds = 0.5% * zakres + jedna cyfra
Ds = 0,5% * 1,999 [S/m] + 0.001 [S/m] = 0,10 [S/m];
nastpnie korzystamy z metody róniczki zupenej:
dx = (dh * s) + (h * ds)
Dx = (Dh * s) + (h * Ds)
- pomiar 1: dla 24,5 °C
Dx = (0,0480 * 0,497) + (2,3478 * 0,10) = 0,26
Dla pozostaych pomiarów dokonalimy podobnych oblicze. Wyniki kocowe zebrane s w poniszej tabeli:
temperatura [°C] |
24,5 |
32,0 |
36,0 |
40,3 |
45,4 |
49,5 |
warto x=hs |
1,17 |
1,19 |
1,18 |
1,13 |
1,12 |
1,10 |
warto Dx |
0,26 |
0,22 |
0,21 |
0,19 |
0,18 |
0,16 |
Wnioski:
Jak wynika z reguy Waldena iloczyn przewodnoci i lepkoci powinien by stay. Nie wpywa na niego zmiana temperatury elektrolitu. Zmiana konduktywnoci (jej wzrost wraz ze wzrostem temperatury i na odwrót) jest kompensowana odwrotn do niej zmian lepkoci elektrolitu (wraz ze wzrostem temperatury maleje) - zmniejszenie lepkoci, powoduje swobodniejszy przepyw jonów, a tym samym zwikszenie przewodnictwa elektrycznego elektrolitu. Wykresy zalenoci lepkoci oraz konduktywnoci od temperatury maj posta funkcji wykadniczych - s one okrelone wzorami:
gdzie A i B s to stae charakteryzujce ciecz, c - stenie molowe roztworu, T oznacza temperatur.
Wykresy uzyskane przez nas, równie mona po maej aproksymacji postrzec jako wykadnicze, take regua Waldena nie (liczc maych przekama) nie zawioda. Wystpujce odchyki nie s due i mieszcz si w obliczonych granicach bdu. Jednak z na podstawie naszych obserwacji mona zauway nieznaczny spadek wartoci iloczynu, jakby spadek lepkoci okaza si wikszy ni wzrost konduktancji. Owe przekamania po czci mogy wynikn z niedokadnego wykonania zadanego wiczenia - przeprowadzone przez nas pomiary powinny by wykonywane w warunkach statycznych, gdy jak wiadomo przekazywanie temperatury wymaga czasu, a my nie majc go w nadmiarze dokonywalimy pomiarów jeszcze przed ustaleniem si stanu równowagi termodynamicznej ukadu. W zwizku z tym mog wystpi np. odczyty lepkoci elektrolitu w temperaturach rónicych si o 2-3 oC. Wpyw na nasze odczyty miaa równie niedokadno termometru kontaktowego sterujcego grzak, straty ciepa w rurkach doprowadzajcych ciecz do wiskozymetru Hopplera jak równie niedostateczne wymieszanie cieczy w samym przyrzdzie - te ostatnie mogy mie nawet znaczny wpyw na pomiary. Jak wic wida róde bdu jest wiele, jednak badana regua jeszcze raz pokazaa swoj suszno.
Wyszukiwarka