Визначення електропровідності електролітів і обчислення ступеня дисоціації

Для роботи необхідно: реохорд АВС; звуковий генератор ЗГ; на-
вушники Т або осцилограф; посуд для визначення електропровідності і платинові електроди Б; мірна колба на 50–100 мл; піпетки мірні; колбочки мірні; розчини електролітів; магазин опору.

 

Так як електропровідність є величиною обернено пропорційною опо-
рові, то визначення її зводиться до вимірювання опору. Електрична схема, за якою проводиться вимірювання опору, подана на рис. 1.

Рис. 1. Електрична схема для визначення

електропровідності (мостик Кольрауша).

 

Від джерела струм поступає в А, розгалужується, іде по АВС і АДС. Переміщаючи контакт С по дротині АВ, можна знайти таке положення, при якому на відрізку ДС струму не буде. Це має місце, коли

,

звідки

.

При визначенні електропровідності користуються слабкими стру-
мами високої частоти. Як джерело струму використовують звуковий генератор; як нуль-інструмент використовують навушники або осци-лограф. Точка рівноваги визначається таким положенням контакту С, при якому в навушниках зовсім не чути звуку, або він є мінімальним, або на екрані осцилографу чітка яскрава точка.

Прилад для визначення електропровід-ності зображений на рис. 2. Це скляна посу-
дина з опущеними в неї трубками А і В.

До нижніх кінців трубок впаяні плати-
нові електроди С і D. Щоб запобігти поля-
ризації, поряд із застосуванням слабких змін-
них струмів високої частоти збільшують по-
верхню електродів. З цією метою електроди платинуються.

 

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

 

Роботу починають з приготування розчинів із відомою питомою електропровідністю і тих, питому електропровідність яких потрібно виз-
начити. Концентрація задається викладачем.

З 1 н. розчину КСl або NaCl шляхом розведення готують розчини, вказані керівником занять. Не слід готувати всі розчини безпосередньо з
1 н., оскільки помилки при вимірюванні його об’єму ведуть до великої помилки в концентрації приготовленого розчину. Для розведення слід брати розчин попередньої концентрації.

Після того, як всі розчини приготовлені, складають електричну схему. Джерело струму не вмикають, поки схему не перевірить керівник занять або лаборант. Якщо схема працює, приступають до вимірювань величини опо-
ру. Вимірювання опору починають від дистильованої води, найбільш розве-
дених розчинів, переходячи до концентрованих. Порядок вимірювань на-
ступний. Посудину для визначення електропровідності та електроди ста-
ранно промивають дистильованою водою. Після цього заливають у по-
судину 20–25 мл дистильованої води (оскільки вимірювання починають
з води).

Одягнувши навушники, або по розгортці екрану осцилографа контакт ставлять приблизно посередині лінійки (0,25–0,30 м). Ввімкнувши струм, на магазині опору підбирають такий опір, при якому в навушниках звук буде мінімальним (точка на екрані). Рекомендується при підбиранні опору користуватися одним каскадом. При цьому слід пам’ятати, що чим більш розведений розчин, тим менша його загальна електропровідність, тобто більший опір. Отже, щоб компенсація була на середині лінійки, очевидно, на магазині необхідно брати більші опори. Із збільшенням концентрації опір, який підбирається на магазині, знижується. Досягнувши мінімуму звуку в навушниках, точнішу компенсацію здійснюють за допомогою пересувного контакту на реохорді.

Не виливаючи розчину, міняють опір магазину на 10% у більшу і меншу сторону і визначають положення контакту для цих випадків, тобто для кожного розчину проводять три визначення для знаходження серед-
нього з величин опору. Якщо при будь-якому положенні контакту не спостерігається мінімального звуку, або точки на екрані осцилографу, то необхідно перевірити правильність з’єднань у загальній схемі, в кожній вітці окремо.

Користуючись результатами досліду, можна розрахувати опір і елек-
тропровідність розчинів, ємність опору посудини, питому і еквівалентну електропровідність, ступінь дисоціації, константу дисоціації. Ведуть розра-
хунки тих величин, які вказані в завданні.

Питома електропровідність водних розчинів KCl та NaCl при 298 К наведена в табл. 1.

 

Таблиця 1

 

Концентрація, моль×екв./м^3	c, м × Ом^–1
KCl	NaCl
0,5	0,0005940	0,0004681
0,2	0,0002484	0,0002034
0,1	0,0001288	0,0001067
0,5	0,00006668	0,00005553
0,02	0,00002767	0,00002315
0,01	0,00001413	0,00001185
0,005	0,000007177	0,000006032
0,002	0,000002526	0,000002112
0,001	0,000001496	0,000001237

 

Опір розчинів або води розраховують, користуючись виразом:

.

(1)

Звідки

.

З середніх значень опорів розраховують їх середні електро-
провідності

(2)

Користуючись залежністю питомої електропровідності від загальної , де c – питома електропровідність, яку можна розрахувати, якщо відомий коефіцієнт пропорційності К, який є константою (ємністю опору) посудини, в якій проводяться вимірювання. Величина його залежить від площі електродів, відстані між ними, від форми посудини та інших факторів.

Згідно формулі , де S – площа електроду, l – відстань між ни-
ми. Константу К розраховують, користуючись рівнянням (3), враховуючи при цьому поправку на електропровідність розчину, приготованого на дистильованій воді.

Електропровідність води розраховують за формулами (1), (2). Якщо – величина дуже мала, порівняно з W_р-ну, то при розрахунках величини К нею нехтують.

Тоді

.

(3)

Щоб скористатися формулою (3), необхідно знати значення питомої електропровідності c. Для цього загальну електропровідність визначають з досліду, а питому беруть з табличних даних.

Для визначення ємності електропровідності (К) використовують три розчини KCl або NaCl. Концентрації їх вказує керівник занять. Питому електропровідність для цих розчинів беруть з таблиць.

Знаючи константу посудини, можна розрахувати питому електропро-
відність будь-якого розчину, загальну електропровідність якого визна-
чають у цій посудині:

.

(4)

Знаючи питому електропровідність, розраховують еквівалентну
l_р-ну, використовуючи формулу їх взаємозв’язку

,

(5)

де С – концентрація розчину виражена в моль×екв./л.

Аналогічно визначають еквівалентну електропровідність при розве-
денні l_¥. За безмежне розведення беруть концентрацію 0,0001 н. розчинів.

Знаючи l_¥ і l при даному розведенні, розраховують ступінь дисоціації

.

(6)

Користуючись законом розведення Оствальда можна розрахувати константу дисоціації слабкого електроліту, підставляючи (6)

.

(7)

Величина α слабких кислот та основ у не дуже розбавлених розчинах дуже мала, і нею в знаменнику (7) можна знехтувати, приймаючи за 1. Тоді одержуємо:

або

. (8)

Це рівняння дає змогу вирахувати ступінь електролітичної дисоціації слабкого електроліту в розчині відомої концентрації, якщо відома константа К_дис.

Вищевказані закономірності придатні для слабких електролітів. Однак при малих концентраціях вони придатні і для сильних.