ĆWICZENIE 5

PRZEWODNICTWO ROZTWORÓW

ODCZYNNIKI

- 0,2 HCl

- 0,1 M HCl

- 0,1 M CH₃COOH

- 0,1 M NaOH

- 0,05 M NaOH

- 0,1 M HgCl₂

- NaCl_(s)

- glukoza

- H₂O destylowana

- H₂O wodociągowa

- aceton

- heksan

- fenoloftaleina

APARATURA

- zasilacz

- miliamperomierz

- czujnik konduktometryczny

- konduktometr

- elektrody węglowe

- biureta o pojemności 25 cm³

- zlewki o pojemności 25 cm³

- mieszadło magnetyczne

1. CEL ĆWICZENIA

1. Nauka pomiaru przewodnictwa i wyciągania z jego wartości odpowiednich wniosków odnośnie charakteru badanej substancji i zachodzących reakcji (elektrolity, nieelektrolity, elektrolity mocne, elektrolity słabe).

2. Nabycie umiejętności wyznaczania punktu równoważnikowego poprzez pomiar zmian przewodnictwa roztworu w trakcie miareczkowania.

2. WSTĘP TEORETYCZNY

Przepływ ładunków elektrycznych przez materię pod wpływem pola elektrycznego

nazywamy przewodnictwem materii.

Prąd elektryczny może być przenoszony przez:

1. Elektrony - tak przewodzą metale (przewodniki pierwszego rodzaju).

2. Jony - dotyczy stopionych soli i roztworów elektrolitów (przewodniki drugiego rodzaju).

Biorąc pod uwagę możliwość przepływu prądu przez roztwory dzieli się je na:

1. Elektrolity - substancje, które rozpuszczając się tworzą roztwór zawierający jony, co umożliwia przewodzenie elektryczności. Nośnikami ładunku są dodatnio (kationy) i ujemnie (aniony) naładowane jony

a). elektrolit mocny to związek, którego roztwór zawiera głównie jony (kwasy: HBr, HCl, HI, HNO₃, HClO₄, H₂SO₄; zasady: wodorotlenki litowców i wapniowców; sole z wyjątkiem niektórych soli rtęci, kadmu i cynku).

b). elektrolit słaby to związek, którego roztwór zawiera głównie cząsteczki i niewiele jonów.

2. Nieelektrolity - substancje, których roztwory nie zawierają jonów, nie przewodzą,

więc elektryczności.

Rozpad cząsteczek elektrolitów na jony zachodzący w wyniku ich oddziaływania z cząsteczkami rozpuszczalnika (np. wody) nazywa się dysocjacją:

Nie wszystkie elektrolity ulegają całkowitemu rozpadowi na jony. Liczbę określającą, jaka część elektrolitu ulega dysocjacji, nazywamy stopniem dysocjacji
.

- liczba moli cząstek zdysocjowanych

- całkowita liczba moli

Elektrolity mocne ulegają całkowitej lub niemal całkowitej dysocjacji (ich stopień dysocjacji wynosi 1 lub jest bliski jedności). Elektrolity słabe tylko w małej części ulegają dysocjacji (
<< 1).

Stopień dysocjacji nie jest dokładną miarą mocy elektrolitu, gdyż zmienia się wraz ze stężeniem elektrolitów, mianowicie rośnie wraz z rozcieńczeniem i ta zależność od stężenia nie jest liniowa. Właściwą miarą mocy słabych elektrolitów, praktycznie niezależną od stężenia jest stała dysocjacji.

Dla reakcji

Zależność pomiędzy stałą dysocjacji, stopniem dysocjacji a stężeniem elektrolitu określa prawo rozcieńczeń Ostwalda:

Roztwory elektrolitów różnią się wyraźnie swoimi właściwościami od roztworów nieelektrolitów. Obecność jonów, cząstek naładowanych elektrycznie, powoduje, że roztwory elektrolitów przewodzą prąd elektryczny. Podczas przepływu prądu przez roztwór elektrolitu zachodzą w nim reakcje chemiczne, których produkty wydzielają się na elektrodach. Opisane zjawisko nosi nazwę elektrolizy. Przewodność elektrolitów zmienia się w szerokim zakresie w miarę przechodzenia od elektrolitów słabych, tworzących niewielką liczbę jonów w roztworze, do całkowicie lub niemal całkowicie dysocjowanych mocnych elektrolitów. Pomiary przewodności dostarczają wielu cennych informacji o zachowaniu się jonów w roztworze. Między innymi na ich podstawie można obliczyć stopień dysocjacji. Inną cechą charakterystyczną dla elektrolitów jest to, że wykazują one większe obniżenie prężności pary, większe podwyższenie temperatury wrzenia oraz większe obniżenie temperatury krzepnięcia w odniesieniu do czystego rozpuszczalnika w porównaniu z nieelektrolitami.

Przewodzenie prądu elektrycznego przez przewodniki podlega prawu Ohma, zgodnie z którym, natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do różnicy potencjałów między końcami przewodnika, a odwrotnie proporcjonalne do jego oporu R.

- opór właściwy

Przewodnictwo (λ) jest odwrotnością oporu.

Elektrolity charakteryzują się przewodnictwem właściwym i molowym.

Przewodnictwo właściwe λ_o (przewodność) stanowi odwrotność oporu właściwego
:

Przewodnictwo właściwe elektrolitu stanowi przewodność 1 cm³ tego elektrolitu, zawartego między elektrodami o powierzchni 1 cm² każda, odległymi o 1 cm.

[cm^-1Ω^-1]

R - opór elektrolitu [Ω]

l - odległość elektrod [cm]

P - powierzchnia elektrod [cm²]

Przewodnictwo molowe λ_v - przewodnictwo warstwy elektrolitu o grubości 1 cm i takiej objętości, aby zawierała ona 1 mol substancji.

Związek pomiędzy przewodnictwem molowym i właściwym wyraża następujący wzór:

[cm²Ω^-1mol^-1]

Przewodnictwo molowe zależy od rodzaju elektrolitu (mocny, słaby), jego stężenia i temperatury. Wzrasta z rozcieńczeniem dążąc do granicznego przewodnictwa molowego.

Ogólnie rzecz biorąc przewodnictwo elektrolitów zależy od:

1. liczby jonów (stężenia)

2. liczby ładunków elementarnych przenoszonych przez każdy jon

3. prędkości poruszania się lub ruchliwości jonu (zależy od rodzaju jonu, natężenia przyłożonego pola i lepkości rozpuszczalnika)

Prędkość wędrówki jonu w polu elektrycznym zależy od natężenia tego pola. Do najbardziej ruchliwych należą jon wodorowy oraz wodorotlenowy.

Pomiary przewodnictwa muszą być wykonywane przy użyciu prądu zmiennego. Prąd stały powoduje rozkład elektrolityczny roztworu i zmiany stężenia w obszarze przyelektrodowym.

Miareczkowanie konduktometryczne opiera się na zmianach przewodnictwa wywołanych przez dodanie odczynnika miareczkującego. Podczas dodawania odczynnika z biurety zmienia się rodzaj i stężenie jonów w roztworze, co powoduje zmiany przewodnictwa. Pozwala to na oznaczenie punktu równoważnikowego. Podczas miareczkowania roztworu mocnej zasady mocnym kwasem przewodnictwo początkowo maleje, gdyż zmniejsza się stężenie jonów przewodzących osiągając w PR wartość minimalną. Po zobojętnieniu całej ilości zasady przewodnictwo znowu rośnie, gdyż ponownie zwiększa się stężenie elektrolitu.

Rysunek 1 przedstawia krzywą miareczkowania konduktometrycznego.

3. WYKONANIE ĆWICZENIA

Pomiary przewodnictwa

1. Zbudować układ pomiarowy według poniższego schematu:

2. Do zlewek wprowadzić kolejno po 25 cm³ następujących substancji:

a). 0,1 M HCl

b). 0,1 M CH₃COOH

c). 0,1 M NaOH

d). 0,1 M HgCl₂

e). H₂O destylowaną

f). H₂O wodociągową

g). aceton

h). heksan

3. Do każdej zlewki kolejno wprowadzić parę elektrod węglowych. Przy każdej zmianie roztworu należy elektrody wypłukać wodą destylowaną i osuszyć bibułą. Elektrody należy zanurzać na jednakową głębokość. Zanotować wskazania miliamperomierza.

4. Do suchej zlewki wsypać sól kuchenną tak, aby przykryła elektrody na głębokość 1 cm i zbadać przewodnictwo. Następnie dodawać powoli wodę destylowaną i obserwować wskazania miliamperomierza. Analogiczną próbę przeprowadzić z glukozą.

Miareczkowanie konduktometryczne:

Miareczkowanie 0,05 M roztworu NaOH 0,2 M roztworem HCl:

1). Zestawić układ pomiarowy zgodnie z powyższym schematem

2). W zlewce o pojemności 150 cm³ umieścić 80 cm³ 0,1 M roztworu NaOH i dodać kilka kropli fenoloftaleiny i uruchomić mieszanie

3). Zanotować przewodnictwo roztworu

3). Dodawać z biurety 0,2 M roztwór HCl porcjami po 1,5 cm³

4). Po każdorazowym dodaniu kwasu odczekać 30 s i zanotować wskazania konduktometru i barwę roztworu.

5). Pomiary prowadzić do momentu zużycia całego roztworu z biurety

4. OPRACOWANIE WYNIKÓW

Wyniki opracować zgodnie ze wzorem sprawozdania i wytycznymi prowadzącego.

Literatura:

1. L. Jones, P. Atkins, Chemia ogólna: cząsteczki, materia, reakcje, PWN, Warszawa 2006.

2. L. Pajdowski, Chemia ogólna, PWN, Warszawa 1993.

3. T. Drapała, Chemii ogólna i nieorganiczna, PWN, Warszawa 1975.

4. J.A. Szymura, R. Gogolin, Wybrane zagadnienia z chemii ogólnej i nieorganicznej, Wydawnictwo Uczelniane ATR, Bydgoszcz 2001.

5. E. Uhlemann, Ćwiczenia laboratoryjne z chemii ogólnej i nieorganicznej, PWN, Warszawa 1977.

6

---