Лабораторная работа 8.1. Кондуктометрическое определение

Электрической проводимости растворов слабых электролитов

Цель работы: определение степени и константы диссоциации растворов слабых электролитов различных концентраций.

Реактивы: калий хлористый КС1 концентрации 0,02 и 0,01 моль/л; вода дистиллированная; слабый электролит (по заданию преподавателя).

Оборудование: реохордный мост Р-38, кондуктометрическая ячейка, стакан вместимостью 100 мл, бюретки вместимостью 25 мл, стеклянная палочка, фильтровальная бумага.

Методика работы

Измерение электрической проводимости растворов практически сводится к измерению их сопротивления. В данной работе она определяется с помощью реохордного моста Р-38, работающего на переменном токе.

Реохордный мост Р-38 (рис. 8.4) является уравновешенным мостом со ступенчато регулируемым плечом сравнения 5 и плавно регулируемым отношением плеч 6.

а б

Рис. 8.4. Реохордный мост Р-38:

а – схема верхней панели (1 – гнездо для подключения прибора в сеть; 2 – гальванометр; 3 – переключатель гальванометра; 4 – клемма

для подключения измерительного сосуда; 5 – переключатель плеча сравнения; 6 – шкала реохорда; 7 – ручка для регулирования значения отношения плеч реохорда; 8 – индикаторная лампочка;

9 – переключатель питания); б– кондуктометрическая ячейка

Реохордный мост смонтирован в пластмассовом ящике с крышкой, на внутренней стороне которой размещены схема и краткие правила пользования прибором. Питание осуществляется от сети переменного тока с напряжением 127 или 220 В. К мосту прилагается кондуктометрическая ячейка для определения электрической проводности растворов, электроды в ячейках изготавливаются из платины.

Измерение сопротивления растворов с использованием реохордного моста Р-38 проводят в следующем порядке:

1) прибор присоединяют к сети переменного тока с напряжением 220 или 127 В (обратить внимание на включение вилки в гнездо на панели. Знак «¯» вилки должен быть обращен к «220» или «127» В, указанному около гнезда для подключения прибора 1, и соответствовать напряжению в сети переменного тока!), при этом загорается индикаторная лампа 8;

2) переключатель питания 9 ставят в положение «~»;

3) переключатель плеча сравнения 5 переводят в положение «Установка нуля»;

4) установив переключатель гальванометра в положение «точно», вращением корректора устанавливают стрелку гальванометра в нулевое положение;

5) гальванометр выключают, переводя его переключатель в положение «КЗ»;

6) электроды кондуктометрической ячейки подключают к клеммам 4 и приступают к измерению электрической прводимости раствора;

7) переключатель гальванометра переводят в положение «грубо», уравновешивают мост вращением рукояток плеча сравнения 5 и реохорда 7, устанавливая стрелку гальванометра в нулевое положение;

8) переключатель гальванометра переводят в положение «точно» и доуравновешивают мост, затем выключают гальванометр, переводя его переключатель в положение «КЗ»;

9) производят отсчет значений сопротивления умножением показания плеча сравнения 5 (R_ср) на показание шкалы реохорда 6 (m):

. (8.14)

Сопротивление раствора измеряют трижды и берут среднее значение.

После окончания измерений на приборе Р-38:

– выключают гальванометр, переводя его переключатель в положение «КЗ»;

– переводят переключатель плеча сравнения в положение «Установка нуля»;

– приводят шкалу реохорда к нулевому делению;

– выключают прибор тумблером переключателя питания 9, а затем из сети переменного тока.

Порядок выполнения работы

1. Определение константы кондуктометрической ячейки

Для измерения электрической проводимости растворов электролитов необходимо знать константу кондуктометрической ячейки (или сосуда). Дело в том, что экспериментально определяемое сопротивление раствора зависит не только от концентрации электролита, площади электродов и расстояния между ними, но и от формы, взаимного расположения, степени погружения и объема раствора, так как в переносе электричества участвует значительно больший объем раствора, чем тот, который заключен между электродами. Поэтому форма и расположение электродов, а также объем растворов должны быть постоянными во всех измерениях.

Если расстояние между электродами кондуктометрической ячейки для измерения электрической проводимости равно l, S – площадям их поверхности, а f – фактору, зависящему от геометрических особенностей ячейки, то измеренное сопротивление раствора составляет

(8.15)

Так как значения f, l, S – постоянны, то можно записать:

χ = K_я/R, (8.16)

где K_я – константа (постоянная) ячейки (сосуда), м^–1, является индивидуальной характеристикой каждой кондуктометрической ячейки; K_я = (f l)/S.

Для измерения электрической проводимости растворов используют ячейки (сосуды) либо с прочно закрепленными платиновыми электродами (см. рис. 8.4, б), либо с электродами, погруженными в сосуд на время работы. Площадь электродов, расстояние между ними подбирают в зависимости от значения измеряемого сопротивления. Чем больше сопротивление, то есть меньше удельная электрическая проводимость, тем большую поверхность должны иметь электроды и тем меньше должно быть расстояние между ними.

Для определения константы ячейки измеряют сопротивление стандартных растворов хлорида калия с известной удельной электрической проводимостью в широком диапазоне температур при нескольких концентрациях. В данной работе для этой цели используют водные растворы хлорида калия концентраций 0,01 и 0,02 моль/л. Значения удельных электрических проводимостей этих растворов при различных температурах приведены в прил. 3.

Измеряют сопротивление растворов KCl концентрации 0,01 и 0,02 моль/л, начиная с раствора меньшей концентрации. Перед измерением кондуктометрическую ячейку ополаскивают небольшим объемом раствора хлорида калия концентрации 0,01 моль/л. Затем ячейку заполняют 50 мл раствором хлорида калия концентрации 0,01 моль/л и проводят измерение сопротивления раствора трижды (сбивая показание по шкале реохорда m) и берут среднее значение. Аналогично измеряют сопротивление раствора KCl концентрации 0,02 моль/л. Константу ячейки вычисляют по уравнению

(8.17)

При концентрациях электролита более 0,001 моль/л электрическая проводимость хлорида калия существенно превышает электрическую проводимость воды, поэтому электрической проводимостью воды можно пренебречь. Для дальнейших расчетов берут среднее арифметическое значение константы ячейки.

Результаты измерений и расчетов заносят в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Определение константы кондуктометрической ячейки

СKCl, моль/м3	RKCl, Ом	ΧКС1, См/м	Kя, м–1

Полученное значение константы ячейки можно использовать для расчета удельной электрической проводимости любой жидкости по уравнению (8.17). При этом необходимо следить за тем, чтобы расположение электродов и объем жидкости в ячейке не изменялись. Объем раствора определяется объемом кондуктометрической ячейки, уровень жидкости должен быть выше верхнего края электродов на 5-10 мм.

2.Электрическая проводимость воды

При малых концентрациях растворов учитывают электрическую проводимость самой воды, так как она становится сравнимой с таковой у электролита. Для обычной дистиллированной лабораторной воды из-за свободного растворения в ней СО₂ и NН₃ и выщелачивания стекла =1×10^–4См/м при 25 ^оС и возрастает с увеличением температуры на 1 ^оС (вблизи комнатной температуры) на 2–2,5 %.

Для точного определения c электролита из измеренной удельной электрической проводимости раствора c_изм вычитают значение электрической проводимости воды :

c = c_изм – . (8.18)

3. Исследование электрической проводимости растворов слабых электролитов, определение степени и константы электролитической диссоциации.

Для изучения электрической проводимости исследуемого слабого электролита (по заданию преподавателя) используют исходный раствор концентрации 0,1 моль/л. Затем путем последовательного разбавления исходного раствора в мерной колбе вместимостью 100 мл получают растворы следующих концентраций, моль/л: 0,05; 0,025; 0,01; 0,005; 0,0025; 0,001. Измеряют сопротивление R, начиная с раствора самой низкой концентрации.

Результаты измерений заносят в табл.8.2.

Таблица 8.2

Определение электрической проводимости, степени

и константы диссоциации слабого электролита

С, моль/м3	R, Ом	Кя, м–1	c, См/м	l,	l¥,	a	Кс
рассчит.	табличное

На основании полученных экспериментальных данных:

1) зная найденное ранее значение константы кондуктометрической ячейки К_я и значение сопротивления R, рассчитать удельную электрическую проводимость c пяти исследуемых растворов по уравнению (8.16), в случае необходимости внести поправку на проводимость воды (8.18);

2) рассчитать эквивалентную электрическую проводимость l исследуемых растворов по уравнению (8.5);

3) построить графики зависимостей: c = f (С), l = f ( );

4) пользуясь значениями предельных подвижностей ионов (прил. 3), по закону независимого движения ионов Кольрауша рассчитать предельную эквивалентную электрическую проводимость электролита;

5) рассчитать степень диссоциации a слабого электролита в каждом исследуемом растворе (8.9);

6) построить график зависимости a от концентрации раствора;

7) сделать вывод о влиянии концентрации на электрическую проводимость;

8) по закону разведения Оствальда (8.10) рассчитать константу диссоциации К_с для каждого раствора и найти ее среднее значение;

9) сравнить найденное значение константы диссоциации с табличными данными (прил. 4);

10) сделать вывод о влиянии концентрации раствора на значения a и К_с;

11) измеренные и рассчитанные значения внести в табл. 8.2, сравнить с литературными данными.