Pojęcia przewodnictwa roztworów i ruchliwości jonów

Przewodnictwo molowe elektrolitu, przewodność molowa elektrolitu, konduktywność molowa, Λ, stosunek przewodnictwa właściwego (κ) do stężenia molowego elektrolitu (c): Λ=κ/c.

Jest to przewodnictwo roztworu (konduktancja elektrolityczna) jaką wykazuje elektrolit o grubości warstwy 1 metra i takiej powierzchni elektrod aby między nimi mieściła się objętość roztworu zawierająca 1 mol substancji.

Przewodnictwo molowe roztworu jest wielkością charakterystyczną dla danego roztworu zależną od temperatury, stężenia i ruchliwości zawartych w nim jonów. Graniczna wartość przewodnictwa molowego elektrolitu (graniczna konduktywność molowa - Λ0), przy stężeniu elektrolitu ekstrapolowanym do zera, określa zdolność przewodzenia elektryczności przez dany elektrolit. Jednostką przewodnictwa molowego elektrolitu jest m2·Ω-1·mol-1.

Ruchliwość jonu, ruchliwość elektrolityczna jonu, U, współczynnik proporcjonalności pomiędzy szybkością przemieszczania się jonu w roztworze (v) a natężeniem pola elektrycznego (E) powodującego ruch tego jonu: v=UE.

Jednostką ruchliwości jonu w układzie SI jest [m2V-1s-1]. Dużą ruchliwością odznaczają się jony w roztworach nieskończenie rozcieńczonych, stopionych solach i tlenkach.

Ruchliwość jonu decyduje o przewodnictwie molowym roztworów.

Ruchliwość jonu u - wartość prędkości υ jonu poruszającego się w polu elektrycznym o

natężeniu jednostkowym w kierunku działania sił pola

Ruchliwość jonów rośnie wraz z temperaturą, jest odwrotnie proporcjonalna do

współczynnika lepkości dynamicznej rozpuszczalnika oraz maleje ze wzrostem stężenia

nośników. Ruchliwości kationów i anionów różnią się między sobą, co wynika z ich różnej

wielkości i odmiennej struktury przestrzennej.

Rozpatrzmy wymianę ładunku

elektrycznego przez dowolny,

prostopadły do kierunku przepływu

prądu przekrój roztworu w polu

elektrycznym o natężeniu E (ry

Prawa elektrolizy Faradaya - dwa prawa sformułowane przez Faradaya w 1834 r.:

1. Masa substancji wydzielonej podczas elektrolizy jest proporcjonalna do ładunku, który przepłynął przez elektrolit

m = Q·k = I·t·k

gdzie:

k - równoważnik elektrochemiczny

Q - ładunek elektryczny

I - natężenie prądu elektrycznego

t - czas

2. Ładunek Q potrzebny do wydzielenia lub wchłonięcia masy m jest dany zależnością

Q = \frac{Fmz} {M}

gdzie:

F - stała Faradaya (w kulombach/mol)

z - ładunek jonu (bezwymiarowe)

M - masa molowa jonu (w gram/mol).

Inne sformułowanie drugiego prawa elektrolizy Faradaya brzmi:

Stosunek mas m1 oraz m2 substancji wydzielonych na elektrodach podczas przepływu jednakowych ładunków elektrycznych jest równy stosunkowi ich równoważników elektrochemicznych k1 oraz k2 i stosunkowi ich mas równoważnikowych R1 oraz R2, czyli:

\frac {m_1} {m_2} = \frac {k_1} {k_2} = \frac {R_1} {R_2}

Mechanizm elektrolizy[edytuj]

Elektroliza wody

Elektroliza zachodzi w układach, w których występują substancje zdolne do jonizacji, czyli rozpadu na jony. Samo zjawisko jonizacji może być wywołane zarówno przyłożonym napięciem elektrycznym, jak i zjawiskami nie generowanymi bezpośrednio przez prąd - dysocjacją elektrolityczną, autodysocjacją, wysoką temperaturą, czy działaniem silnego promieniowania.

Proces elektrolizy jest napędzany wymuszoną wędrówką jonów do elektrod, zanurzonych w substancji, po przyłożeniu do nich odpowiedniego napięcia prądu elektrycznego. W elektrolizie elektroda naładowana ujemnie jest nazywana katodą, a elektroda naładowana dodatnio anodą. Każda z elektrod przyciąga do siebie przeciwnie naładowane jony. Do katody dążą więc dodatnio naładowane kationy, a do anody ujemnie naładowane aniony. Po dotarciu do elektrod jony przekazują im swój ładunek, a czasami wchodzą też z nimi w reakcję chemiczną, na skutek czego zamieniają się w obojętne elektrycznie związki chemiczne lub pierwiastki. Ponadto, wędrujące przez substancję jony mogą po drodze ulegać rozmaitym reakcjom chemicznym z innymi jonami lub substancjami, które nie uległy rozpadowi na jony. Powstające w ten sposób substancje zwykle albo osadzają się na elektrodach albo wydzielają się z układu w postaci gazu. Proces elektrolizy wymaga stałego dostarczania energii elektrycznej.

Zjawisko elektrolizy zostało opisane ilościowo w dwóch prawach elektrolizy Faradaya.

Kulometria - zespół metod elektrochemicznych, opartych na zastosowaniu praw elektrolizy Faradaya, określających zależność pomiędzy ilością przepływającego przez obwód ładunku a ilością substancji ulegającej elektrolizie. Wyróżniamy dwa rodzaje kulometrii[1]:

potencjostatyczną - pomiar prowadzony w warunkach stałego potencjału

amperostatyczną - pomiar prowadzony w warunkach stałego prądu.

Konduktometr - przyrząd pomiarowy, używany w konduktometrii do pomiaru przewodności roztworów elektrolitów. Jest on stosowany do orientacyjnych pomiarów zanieczyszczenia, zasolenia wody oraz w miareczkowaniu konduktometrycznym. Detektory konduktometryczne bywają stosowane w mikroelektroforezie kapilarnej, czy HPLC.

Pomiar ładunku elektrycznego prowadzi się za pomocą kulometru.

Prawo rozcieńczeń Ostwalda to przybliżona zależność stopnia dysocjacji słabego elektrolitu od jego stężenia:

gdzie:

α - stopień dysocjacji,

C - stężenie elektrolitu,

K - stała dysocjacji.

Prawo rozcieńczeń Ostwalda stosuje się do dysocjacji słabych kwasów i zasad a także do hydrolizy ich soli.

Równanie to spełnione jest jedynie w rozcieńczonych roztworach słabych elektrolitów, gdyż:

pomija wpływ siły jonowej roztworu na współczynniki aktywności - powinno się używać aktywności zamiast stężeń

pomija jony będące wynikiem autodysocjacji rozpuszczalnika (wody) - niedopuszczalne dla bardzo małych stężeń elektrolitu porównywalnych ze stężeniem jonów w czystym rozpuszczalniku

Przewodnictwo właściwe, przewodność elektrolityczna, konduktywność, κ, odwrotność oporu właściwego (ρ): κ=ρ-1.

Dla rozcieńczonych roztworów elektrolitów przewodnictwo właściwe można wyliczyć ze wzoru:

κ= Σ|zi|FUici,

gdzie: zi - ładunek jonu, F - stała Faradaya, Ui - ruchliwość elektrolityczna jonu, ci -stężenie jonu. Jednostką przewodnictwa właściwego jest Ω-1·m-1.

Przewodnictwo molowe elektrolitu Dodaj do notesu

Chemia, Fizyka

Przewodnictwo molowe elektrolitu, przewodność molowa elektrolitu, konduktywność molowa, Λ, stosunek przewodnictwa właściwego (κ) do stężenia molowego elektrolitu (c): Λ=κ/c.

Jest to przewodnictwo roztworu (konduktancja elektrolityczna) jaką wykazuje elektrolit o grubości warstwy 1 metra i takiej powierzchni elektrod aby między nimi mieściła się objętość roztworu zawierająca 1 mol substancji.

Przewodnictwo molowe roztworu jest wielkością charakterystyczną dla danego roztworu zależną od temperatury, stężenia i ruchliwości zawartych w nim jonów. Graniczna wartość przewodnictwa molowego elektrolitu (graniczna konduktywność molowa - Λ0), przy stężeniu elektrolitu ekstrapolowanym do zera, określa zdolność przewodzenia elektryczności przez dany elektrolit. Jednostką przewodnictwa molowego elektrolitu jest m2·Ω-1·mol-1.

Przewodnictwo równoważnikowe[edytuj]

Przewodnictwo równoważnikowe (symbol Λ) - miara zdolności przenoszenia ładunku elektrycznego przez gramorównoważnik substancji rozpuszczonej.

Λ = σ/c

gdzie

σ - przewodnictwo właściwe

c - stężenie substancji w gramorównoważnikach na jednostkę objętości

lub

Λ = σV

gdzie

V - objętość roztworu zawierająca 1 gramorównoważnik

w układzie SI: [Λ]=[Ω−1m2mol−1]

Wartość przewodnictwa równoważnikowego odpowiada przewodnictwu elektrycznemu roztworu zawierającego jeden gramorównoważnik elektrolitu i mającego grubość równą 1 jednostce. Dla substancji, których gramorównoważnik jest równy molowi, przewodnictwo równoważnikowe jest równe przewodnictwu molowemu.

---