Elektrijuhtivuse määramine (0)

TTÜ
Materjaliteaduse instituut
füüsikalise keemia õppetool
Töö nr: 15f
Töö pealkiri: Elektrijuhtivuse määramine
Üliõpilane:
Õpperühm
Töö teostamise
kuupäev: 12/02/2014
Kontrollitud:
Arvestatud:
Töö ülesanne
Töös määratakse elektrolüüdi vesilahuste eri-ja ekvivalentjuhtivus real kontsentratsioonidel, milleks mõõdetakse juhtivusnõus elektroodide vahel paikneva lahusekihi takistust. Mõõtmisel kasutatavate elektroodide konstant määratakse kindla kontsentratsiooniga teadaoleva eritakistusega KCl lahuse abil. Katsetulemuste töötlus toimub kahes variandis . Nõrga elektrolüüdi korral arvutatakse dissotsiatsiooniastmed ja -konstant. Tugeva elektrolüüdi lahuse puhul leitakse katseandmete alusel ekvivalentjuhtivus lõpmatul lahjendusel (piiriline ekvivalentjuhtivus λ0).
Antud laboris määrasime CH3COOH dissotsatsioonikonstanti temperatuuril 25˚C kontsentratsioonidel 0,2; 0,1 ja 0,05 mol.
Teoreetiline osa
Teoreetiline osa: Lahusekihi takistus, mis asub elektroodide vahel kaugusega l ja pindalaga s, väljendub valemiga
R =  (7.1)
Kus  on eritakistus .
Lahuse erijuhtivus  on eritakistuse pöördväärtus. Tema ühikuks on S m-1 ja ta väljendub valemiga
 =
= , (7.2)
kus K = l/s on juhtivusnõu konstant.
Lahuse ekvivalentjuhtivuseks nimetatakse sellise lahusekihi juhtivust, mis sisaldab 1 g-ekvivalendi elektrolüüti ja asub elektroodide vahel, mille vahekaugus on 1 m. Ekvivalentjuhtivuse ühikuks on S m2 g-ekv-1 ja ta avaldub valemiga
 = (7.3)
kus n - normaalne kontsentratsioon (g-ekv l-1); 1000 on üleminekutegur m3 liitritele.
Kui määta elektroodidevahelist kaugust cm-s, siis väljendub seos ' ja ' vahel
' = (7.3A)
kus ' ja ' ühikuteks on vastavalt S cm-1 ja S cm2 g-ekv-1.
Lahuse lahjendamisel ekvivalentjuhtivus kasvab ja läheneb lõpmatul lahjendusel oma piirväärtusele 0. Piiriline ekvivalentjuhtivus 0 võrdub piiriliste ekvivalentjuhtivuste ehk lühidalt ioonjuhtivuste  ja  summaga
0 =  +  (7.4)
Lahuse ekvivalentjuhtivuse suhe piirilisse ekvivalentjuhtivusse võrdub elektrolüüdi dissotsiatsiooniastme  ja elektrijuhtivuse teguri f korrutisega
(7.5)
Nõrkade elektrolüütide lahuste korral f = 1 ja  / 0 = . See võimaldab leida elektrijuhtivuse mõõtmise teel dissotsiatsiooniastet ja selle alusel dissotsiatsioonikonstanti. Binaarse elektrolüüdi korral, mille dissotsiatsioonil tekib üks katioon ja üks anioon , avaldub dissotsiatsioonikonstant Kd võrranditega
Kd =
(7.6)
ja Kd = (7.7)
kus c on molaarne kontsentratsioon.
Tugevate elektrolüütide lahustes  = 1 ja  / 0 = f .
Elektrijuhtivuse tegur f näitab ioonidevahelise mõju tugevust. Vastasmõju puudumisel f = 1.
Tugevate elektrolüütide lahustes  on lineaarses sõltuvuses kontsentratsiooni ruutjuurest: (Kohlrauschi valem):
 =  - A (7.8)
Ioonjuhtivused on võrdelised ioonide liikuvustega u0 s.o. liikumiskiirustega ühikulise tugevusega elektriväljas (1V m-1):
 = Fu;  = Fu. (7.9)
Antud iooni poolt ülekantud elektrihulga suhet kogu ülekantud elektrihulka nimetatakse iooni ülekandearvuks t, mis sõltub ioonide liikumiskiirusest v:
t+ =
= (7.10)
t- =
= (1 - t+) (7.11)
Aparatuur
Vahelduvvoolusild P-38, juhtivusnõu, veritermostaat, 100-ml mahuga mõõtekolvid, pipetid.
Katse käik
Töös kasutatakse juhtivusnõusse valatud elektrolüüdilahuse takistuse mõõtmiseks vahelduvvoolusilda P-38.
Juhtivusnõudel on jäigalt kinnitatud plaatinaelektroodid, mille pinna omadustest sõltub mõõtmise täpsus. Täpsete tulemuste saamiseks peavad elektroodid olema kaetud elektrolüütiliselt sadestatud plaatinamustaga. Mõõtmise järel hoitakse elektroode destilleeritud vees. Kui elektroodid on seisnud kuivalt , on raske kõrvaldada nende pinnalt elektrolüüte; sel juhul on parem lahustada plaatinamust kuningvees ning kanda elektroodidele värske sade.
Juhtivusnõu tuleb käsitseda erilise hoolikusega - elektroode ei tohi puudutada, samuti ei tohi neid katse vältel teineteise suhtes nihutada.
Juhtivusnõu loputatakse paar korda uuritava lahusega ja seejärel pipeteeritakse vastavalt nõu mahule selline lahuse hulk, et elektroodid oleksid 3 - 5 mm ulatuses kaetud.
Nõu täitmise pipetiga tingib nõue, et kõikide määramiste puhul oleks vedeliku hulk ühesugune. Pärast gaasimullide eraldumist asetatakse juhtivusnõu vesitermostaati, mille temperatuuri hoitakse püsivana 25,0±0,1 °C juures, erijuhtudel ka mõnel teisel juhendaja poolt määratud temperatuuril. Kui lahus juhtivusnõus on saavutanud termostaadi temperatuuri (mitte varem kui 10 - 15 minuti pärast), ühendatakse elektroodid vahelduvvoolusillaga ja mõõdetakse lahusekihi takistus. Lahusekihi takistuse mõõtmine vahelduvvoolusillaga P-38 toimub järgmiselt:
1) sild ühendatakse vooluvõrku;
2) toitelüliti lülitatakse asendisse ~, seejuures süttib punane lamp;
3) juhtivusnõu ühendatakse klemmidega RX;
4) galvanomeetri lüliti viiakse asendisse "rpyбo˝ ja sild tasakaalustatakse võrdlusõla ning reohordi abil.
Seejärel viiakse lüliti asendisse ˝точно" ja rehordi lüliti abil sild tasakaalustatakse uuesti;
5) mõõdetav takistus Rx=mR, kus m - reohordi skaala näit ja R - võrdlusõla takistus;
6) mõõtmise lõpul viiakse toitelüliti neutraalasendisse, galvanomeetri lüliti asendisse "K3".
Enne katset loputatakse elektroode korduvalt juhtivusmõõtmiseks kasutatava kahekordselt destilleeritud veega (erijuhtivus alla 5 · 10-4 S·m-1). Elektroodide puhtust saab kõige paremini kontrollida juhtivusvee takistuse mõõtmisega nõus. Seejärel täidetakse nõu veel kord ning mõõdetakse uuesti takistust. Protsessi korratakse, kuni juhtivus jääb ligikaudu püsivaks, mis näitab, et lisandid on kõrvaldatud.
Kui nõu on puhas, siis määratakse nõu konstant kindla kontsentratsiooniga (tavaliselt kasutatakse 0,02n) KCl lahuse abil, mis on laboratooriumis valmistatud kahekordselt kristallitud ning temperatuuril 600 °C kuumutatud KCl-st ning juhtivusveest. Elektroode loputatakse paar korda KCl lahusega. Nõu täidetakse pipetiga ja mõõdetakse takistus. Katset korratakse uue KCl lahusega.
Edasi mõõdetakse analoogiliselt kõigi uuritavate lahuste takistus. Lahuste kontsentratsiooni määrab praktikumi juhendaja. Lahused valmistatakse 100-ml mõõtekolbidesse laboratooriumis olevast tiitritud lahusest selle kvantitatiivsel ja järkjärgulisel lahjendamisel juhtivusveega.
Lahuseid tuleb valmistada hoolikalt, vastasel korral läheb katseviga suureks.
Igale järgmisele lahusele üle minnes tuleb elektroodid ja nõu kaks korda loputada uuritava lahusega ning seejärel pipeteerida lahus juhtivusnõusse.
Katsetulemused

Elektroodide konstandi määramine:
Mõõdetud takistus 0,02n KCl lahusega: 1) 118 Ω
2) 120 Ω
R= 119Ω
0,02 n KVl erijuhtivus temperatuuril 25˚C 0,2767 Cm/m
Nõu konstant = 1190 ,2767= 32,93 m-1

Nõrga elektrolüüdi lahus:
Elektrolüüt: CH3COOH, äädikhape
Piiriline ekvivalentjuhtivus – arvutatud käsiraamatu abil.
𝜆0+=349,810-4 Sm2/mol
𝜆0- =40,910-4Sm2/mol
𝜆0=𝜆0++𝜆0 - =349,8 10-4 + 40,9
10-4 Sm2/mol
piiriline ekvivalentjuhtivus λ0 = 0,03907 Sm2/g ekv
Jrk
nr.
Lahuse normaalne kontsentratsioon
n
Mõõdetud takistus
R, Ω
Elektri-juhtivus
χ S/m
Ekvivalent-juhtivus
λ,
Dissotsiat-siooniaste
Näiline dissotsiat-siooni-konstant
K
1
0,0530
770
0,0428
8,0710-4
0,02066
2,30910-5
2
0,1060
550
0,0599
5,6510-4
0,01446
2,24710-5
3
0,2120
380
0,0867
4,0810-4
0,01044
2,33510-5
Arvutused

Lahuse erijuhtivus
κ1= ==0,0428 S/m
κ2= =0,0599S/m
κ3 ==0,0867 S/m
2) Lahuse ekvivalentjuhtivus
𝜆=
𝜆1= =8,0710-4 Sm2/mol
𝜆2= =5,6510-4 Sm2/mol
𝜆3= =4,0810-4 Sm2/mol
3)Dissotsatsiooniaste
Nõrkade elektrolüütide korral f=1
𝛼1===0,02066
α2==0,01446
α3===0,01044
4) Näiline dissotsatsioonikonstant
Kd =
Kd1== 2,30910-5
Kd2== 2,24710-5
Kd3==2,33510-5
Näiliste dissotsatsioonikonstantide keskmine:
Kd===2,298*10-5
Käsiraamatus on äädikhappe dissotsatsiooni konstant K=1,754*10-5
Katsevea arvutus:
P=*100%=31%
Järeldused:
Arvutuste tulemusena sain äädikhappe dissotsatsiooni konstandiks 2,298*10-5, käsiraamatu andmetel on selleks aga 1,754*10-5. Katse viga oli suur – 31%. Vead võisid tekkida lahjendamisel valmistatud ebatäpsetest lahustest, elektroodi mõõtemääramatusest kui ka sellest, et ei olnud võimalik veenduda, kas igal korral oli juhtivusnõus ühepalju vedelikku – vedelik kallati sinna silma järgi, mitte ei lisatud pipetiga.
Hinnates veaprotsenti, võib öelda, et katse ebaõnnestus.