Metale Nieżelazne 27.11.2005

Metalurgia

Gr. I

Zespół 6

Ćwiczenie nr 11

PRZEWODNICTWO ELEKTROLITÓW - ANALIZA KONDUKTOMETRYCZNA

Haber Szczepan Ocena

………….

1. Wstęp:

Roztwory elektrolitów w wyniku migracji jonów przewodzą prąd elektryczny. Zatem określenie wielkości charakteryzujących przewodnictwo może dostarczyć informacji o liczbie jonów obecnych w roztworze a zatem w efekcie do ilościowego oznaczenia (w przypadku mocnych elektrolitów) bądź wyznaczenia stałej dysocjacji (dla słabych elektrolitów).

Podstawowym pomiarem stosowanym w badaniach ruchu jonów jest pomiar przewodnóści L roztworu będącej odwrotnością jego oporu R (L = 1/R). Opór wyrażamy w omach ၗ, zatem jednostką przewodności próbki jest ၗ^-1. Jednostka ta nosi obecnie nazwę simensa, 1 S = 1 ၗ^-1

Gdzie:

π - przewodnictwo

R - opór

ρ - opór właściwy

q - przekrój przewodzącego słupa elektrolitu

l - długość przewodzącego słupa elektrolitu

k - przewodnictwo właściwe

Jak wynika ze wzoru, przewodnictwo właściwe jest odwrotnością oporu kostki sześciennej elektrolitu o długości krawędzi 1 cm. Czynnikiem przenoszącym ładunki elektryczne podczas przepływu prądu przez elektrolit są jony. Stąd też przewodnictwo właściwe jest tym większe, im większe jest stężenie jonów oraz im większa jest ich szybkość. Wynika z tego, że przewodnictwo właściwe jest zależne od stężenia elektrolitu oraz jego rodzaju. Często stosowane jest pojęcie przewodnictwa równoważnikowego lub molowego λ. Jest to odwrotność oporu jednego gramorównoważnika (lub 1 mola) elektrolitu, w roztworze lub w stanie stopionym, zawartego w całości pomiędzy elektrodami oddalonymi o 1cm. Związek przewodnictwa równoważnikowego z właściwym ujmuje równanie:

Gdzie:

C - stężenie elektrolitu w gramorównoważnikach na litr roztworu

V=1/c tzw. Rozcieńczenie - liczba podająca ilość litrów, w której mieści się 1 gramorównoważnik (lub 1 mol)

Związek pomiędzy przewodnictwem równoważnikowym, stopniem dysocjacji oraz ruchliwością jonów dla najprostszych przypadków dysocjacji przedstawiają równania:

λ = Fα(u_{a +} u_k)

dla c -> 0 ; v -> ∞ otrzymujemy λ₀ = F (u⁰_a + u⁰_k) .

gdzie

F - stała Faradaya (96500 C)

α - stopień dysocjacji.

Gdy podzielimy powyższe równania stronami otrzymujemy:

Równanie powyższe wykorzystuje się dla wyliczenia stopnia dysocjacji elektrolitów w oparciu o pomiary przewodnictwa. W rzeczywistości wylicza się w ten sposób iloczyn stopnia dysocjacji i stosunku sum ruchliwości jonów.

Pomiary przewodnictwa wykonuje się często w celach analitycznych. W przypadku roztworów zawierających tylko jeden elektrolit, wystarczy wyznaczyć przewodnictwo właściwe i porównać uzyskaną wartość z danymi tabelarycznymi. W przypadku roztworów zawierających kilka elektrolitów lub w przypadku braku odpowiednich danych tabelarycznych stosuje się często miareczkowanie konduktometryczne. Metoda ta polega na wyznaczaniu przewodnictwa właściwego roztworu jako funkcji ilości mililitrów dodawanego stopniowo roztworu miareczkującego o znanym stężeniu. Na przykład podczas miareczkowania mocnego kwasu mocną zasadą obserwuje się początkowo spadek przewodnictwa właściwego spowodowany zastępowaniem bardzo ruchliwego jonu wodorowego przez wolniejszy kation. Po przekroczeniu punktu miareczkowania ( po dodaniu stechiometrycznej ilości zasady) obserwuje się wzrost przewodnictwa właściwego spowodowany wzrastającym stężeniem zasady. W przypadku miareczkowania słabego kwasu mocną zasadą obserwuje się początkowo wolny wzrost przewodnictwa właściwego spowodowany pojawieniem się dobrze zdysocjowanej soli, w miejsce słabo dysocjowanego kwasu. Wzrost ten staje się gwałtowniejszy po przekroczeniu punktu zmiareczkowania.

Jest to spowodowane wzrostem stężenia dobrze przewodzącej zasady ( duża ruchliwość jonów wodorotlenowych).

2. Cel ćwiczenia :

1. wyznaczenie przewodnictwa właściwego roztworów: ZnSO₄, CuSO₄, H₂SO₄ oraz CH₃COOH o różnych stężeniach oraz sporządzenie w oparciu o uzyskane wyniki wykresów: k = f(c), λ = f(V) , oraz λ/ λ₀ = f(c).

2. wyznaczenie stężenia na drodze miareczkowania konduktometrycznego

mocnego kwasu(HCl) - mocną zasadą (NaOH)

słabego kwasu(CH­₃COOH) - mocną zasadą (NaOH)

3. Opracowanie wyników:

Elektorlit	stężenie c [grówn/l]	stężenie c [mol/l]	Przewod -nictwo właściwe k [S/cm]	Przewod -nictwo molowe λ [S⋅cm^2/mol]	λ / λ0	Rozcieńcze -nie V [dm^3/mol]
ZnSO4 λ0=226,6 [S⋅cm^2/mol]	1,0	0,5	0,0407	81,4	0,359223	2
		0,2	0,1	0,01358	135,8	0,599293	10
		0,04	0,02	0,0039	195	0,860547	50
		0,008	0,004	0,0011	275	1,213592	250
		0,0016	0,0008	0,0003	375	1,654898	1250
	CH3COOH λ0 = 349,9 [S⋅cm^2/mol]	1,0	0,5	0,0009	1,8	0,005144	2
		0,2	0,1	0,0004	4	0,011431	10
		0,04	0,02	0,0002	10	0,028579	50
		0,008	0,004	0,0001	25	0,071448	250
		0,0016	0,0008	0,0000369	46,125	0,131823	1250
	CuSO4 λ0 = 227,2 [S⋅cm^2/mol]	1,0	0,5	0,01315	26,3	0,115757	2
		0,2	0,1	0,00384	38,4	0,169014	10
		0,04	0,02	0,00107	53,5	0,235475	50
		0,008	0,004	0,0003	75	0,330105	250
		0,0016	0,0008	0,00009	112,5	0,495158	1250
	H2SO4 λ0 = 766,6 [S⋅cm^2/mol]	1,0	0,5	0,0855	171	0,223062	2
		0,2	0,1	0,0204	204	0,266110	10
		0,04	0,02	0,005	250	0,326115	50
		0,008	0,004	0,0012	300	0,391338	250
		0,0016	0,0008	0,0003	375	0,489172	1250

Obliczenia:

V = 1/c :

H₂ SO4

1. 1000*0,0855* 1/5 = 171 [S*cm²/mol]

2. 1000*0,0204*1/01=204 [S*cm²/mol]

3. 1000*0,005*1/0,02=250 [S*cm²/mol]

4. 1000*0,0012*1/0,004=300 [S*cm²/mol]

5. 1000*0,0003*1/0,0008=375 [S*cm²/mol]

CH₃COOH

1. 1000*0,0009*1/05=1,8 [S*cm²/mol]

2. 1000*0,0004*1/0,1=4 [S*cm²/mol]

3. 1000*0,0002*1/0,02=10 [S*cm²/mol]

4. 1000*0,0001*1/0,004=25 [S*cm²/mol]

5. 1000*0,0000369*1/0,0008=46,125 [S*cm²/mol]

CuSO₄

1. 1000*0,01315*1/0,5=26,3 [S*cm²/mol]

2. 1000*0,00384*1/0,1=38,4 [S*cm²/mol]

3. 1000*0,00107*1/0,02=53,5 [S*cm²/mol]

4. 1000*0,0003*1/0,004=75 [S*cm²/mol]

5. 1000*0,00009*1/0,0008=112,5 [S*cm²/mol]

ZnSO₄

1. 1000*0,0407*1/0,5=81,4 [S*cm²/mol]

2. 1000*0,01358*1/0,1=135,8 [S*cm²/mol]

3. 1000*0,0039*1/0,02=195 [S*cm²/mol]

4. 1000*0,0011*1/0,004=275 [S*cm²/mol]

5. 1000*0,0003*1/0,0008=375 [S*cm²/mol]

1) Wykresy zależności przewodnictwa właściwego od stężenia elektrolitu

Rys.1. - Rys.4.

2) Wykresy zależności przewodnictwa molowego od rozcieńczenia

Rys.5. - Rys.8.

3) Wykresy zależności stosunku λ/λ₀ do stężenia

Rys.9. - Rys.12.

b) miareczkowanie konduktometryczne:

Wkładamy naczyńko pomiarowe do zlewki na 50ml, do której pipetuje się 5 ml około 0,1n kwasu solnego i dodaje wody destylowanej tak, aby elektrody były całkowicie zanurzone w roztworze. Wyznacza się przewodnictwo właściwe roztworu. Następnie dodaje się z biurety 0,5 ml 0,1n roztworu NaOH, miesza się roztwór i ponawia się pomiar.

Wyniki miareczkowań konduktometrycznych dla HCl:

Rozwór miareczkowany: HCl

Rozwór miareczkujący: 0,1 n NaOH

0,1n NaOH [ml]	Przewodnictwo Właściwe [mS/cm]	0,1n NaOH [ml]	Przewodnictwo Właściwe [mS/cm]
0,0	3,02	5	0,74
0,5	2,47	6	0,87
1	2,28	7	1,18
2	1,86	7,5	1,25
3	1,50	8,5	1,50
4	1,26	9,5	1,66

Wykres miareczkowania HCl 0.1n Na0H Rys.13

Z wykresu wynika, iż zmiareczkowanie wystąpiło po dodaniu ok. 6 ml NaOH.

Uwzględniając równanie zobojętnienie:

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

wynika, iż do zobojętnienia 1 mola HCl potrzebny jest 1 mol NaOH. Możemy z tego wyliczyć:

6,0 ml - 0.1n (NaOH)

5,0 ml - x (HCl)

6 ⋅ x = 5 ⋅ 0,1

x = 0,5 / 6 = 0.083(3) n

Odp: stężenie miareczkowanego HCl wynosiło 0.083(3) n.

Wyniki miareczkowań konduktometrycznych dla CH₃COOH:

Rozwór miareczkowany: CH₃COOH

Rozwór miareczkujący: 0,1 n NaOH

0,1n NaOH [ml]	Przewodnictwo Właściwe [mS/cm]	0,1n NaOH [ml]	Przewodnictwo Właściwe [mS/cm]
0,0	0,54	5	0,53
0,5	0,51	6	0,64
1	0,46	7	0,71
2	0,45	8	0,73
3	0,45	9	0,80
4	0,51	10	0,88

Wykres miareczkowania CH₃COOH 0.1n Na0H Rys.14

Z wykresu wynika, że zmiareczkowanie wystąpiło po dodaniu ok. 3 ml NaOH.

Uwzględniając równanie zobojętnienie:

CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O

wynika, że do zobojętnienia 1 mola HCl potrzebny jest 1 mol NaOH. Możemy z tego wyliczyć:

3,0 ml - 0.1n (NaOH)

5,0 ml - x (HCl)

3 ⋅ x = 5 ⋅ 0,1

x = 0,5 / 3 = 0.16(6) n

Odp: stężenie miareczkowanego CH₃COOH wynosiło 0.16(6) n.

4) Wnioski

W ćwiczeniu miało na celu wyznaczenie przewodnictwa właściwego różnych elektrolitów. Z wyrysowanych zależności przewodnictwa molowego oraz stosunku λ / λ₀ wynika że wraz ze wzrostem rozcieńczenia wzrasta przewodnictwo molowe czyli wzrasta liczba jonów przenoszących ładunki.

Jednocześnie przewodnictwo właściwe wzrasta wraz ze stopniem stężenia elektrolitu.

Miareczkowanie konduktometryczne kwasu HCl mocną zasadą NaOH wykazało ze na początku dodawania ługu sodowego przewodnictwo właściwe spada do momentu przekroczenia punktu miareczkowania poczym następuje wzrost przewodnictwa właściwego w elektrolicie.

Miareczkowanie konduktometryczne słabego kwasu CH₃COOH mocną zasadą NaOH wykazał ze w miarę dodawania ługu początkowo nieznacznie maleje przewodnictwo właściwe spowodowane zmniejszeniem zawartości jonów kwasu po przekroczeniu punktu miareczkowania wykazano szybki wzrost przewodnictwa właściwego który to jest bezpośrednio związany z przewodzeniem jonów zasady sodowej.

---