Elektrijuhtivuse määramine (0)

TTÜ Materjaliteaduse Instituut
Füüsikalise keemia õppetool
Töö nr. 15
Elektrijuhtivuse määramine
Üliõpilane
Kood
Töö teostatud
24.02.2014
....................................
märge arvestuse kohta,
õppejõu allkiri
Teoreetilineosa:
Takistus R on võrdeline elektroodidevahelise kaugusega l ja pöördvõrdeline elektroodi pindalaga S
R = l / S
Koefitsient  (cm) on lahuse eritakistus, tema pöördväärtus on lahuse erijuhtivus  (S/m, S/cm).
Suurus K nimetatakse juhtivusnõu konstandiks (K = l /S, m–1 või cm–1).
Molaarse juhtivuse (, Sm2mol–1 või Scm2mol–1)
 =  / CM
 = 0 – ACM1/2
A on Kohlrauschi konstant (sirge tõus teljestikus  = ƒ (), mis sõltub iooni laengust ja on seotud ioon -ioon tüüpi vastasmõjudega lahuses. Nõrkadele elektrolüütidele Kohlrauschi seadus ei kehti.
Eristatakse elektrolüüdi ( CH3COOH lahus) molaarse juhtivuse mõistet (), mida kasutatakse vaid binaarsete elektrolüütide iseloomustamiseks ning ioonide (CH3COO– või H+) molaarse juhtivuse (j) mõistet.
 =  ( ++ + –– )
kus
+ ,– – dissotsiatsioonil tekkivate katioonide ja anioonide arv (CaCl2: + = 1, – = 2)
 – dissotsiatsiooniaste
0 = ++0 + ––0 /lahuse lahjendamisel  1/
Tugevate elektrolüütide lahustes  = 1 ja  / 0 = ƒe. Nõrkade elektrolüütide lahustes, kus vastasmõju puudub ƒe = 1. Nende lahuste korral  / 0 = . See võimaldab leida elektrijuhtivuse mõõtmise teel dissotsiatsiooniastet ja selle alusel dissotsiatsioonikonstanti Kc.
 =  / 0
Töö käik
Aparatuur . Vahelduvvoolusild P-38, juhtivusnõu, vesitermostaat, 100-ml mahuga mõõtekolvid, pipetid.
Katse käik. Töös kasutatakse juhtivusnõusse valatud elektrolüüdilahuse takistuse mõõtmiseks vahelduvvoolusilda P-38.
Juhtivusnõudel (vt joonis) 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.
Juhtivusnõu tuleb käsitseda erilise hoolikusega – elektroode ei tohi puudutada, samuti ei tohi need katse vältel teineteise suhtes nihkuda. Oluline on, et lahuse nivoo oleks 3 - 5 mm üle elektroodide. Kõikide määramiste puhul peab vedeliku hulk olema ühesugune.
Joonis. Näited juhtivusnõudest
Märkus: Lahuseid tuleb valmistada ja elektroode loputada hoolikalt, vastasel korral läheb katseviga väga suureks. Seega tuleb juhtivusnõu alati loputada mitu korda lahusega, mida mõõtma hakatakse. Katsetes kasutatakse soovitavalt kahekordselt destilleeritud vett (erijuhtivus alla 5 · 10-4 S·m-1).
Esimesena määratakse nõu konstant kindla kontsentratsiooniga (tavaliselt kasutatakse 0,02 M KCl) lahuse abil, mis on laboratooriumis valmistatud kahekordselt kristallitud ning temperatuuril 600°C kuumutatud KCl-st ning juhtivusveest. Nõu täidetakse pipetiga või fikseeritud kõrguseni ja mõõdetakse takistus. Katset korratakse uue KCl lahusega.
Edasi mõõdetakse analoogiliselt kõigi uuritavate lahuste takistus, alustades madalaima kontsentratsiooniga lahusest. NB! peale KCl lahust loputada elektroodid eriti hoolikalt nii juhtivusveega kui lahusega, millega hakatakse tegema järgmist mõõtmist. Lahused valmistatakse 50‑ml mõõtekolbidesse laboratooriumis olevast kindla kontsentratsiooniga lahusest (tavaliselt etaanhape või metaanhape , mille kogus mõõdetakse büreti abil) selle lahjendamisel juhtivusveega. Lahuste kontsentratsioonid/lahjendused küsida praktikumi juhendajalt.
Pärast gaasimullide eraldumist asetatakse juhtivusnõu mõõdetava lahusega 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 5...7 minuti pärast), ühendatakse elektroodid vahelduvvoolusillaga ja mõõdetakse lahusekihi takistus. Lahusekihi takistuse mõõtmine vahelduvvoolusillaga P-38 toimub järgmiselt:

Sild ühendatakse vooluvõrku;

Toitelüliti lülitatakse asendisse ~, seejuures süttib indikaatorlamp;

Juhtivusnõu ühendatakse klemmidega RX;

Galvanomeetri lüliti viiakse asendisse "rpyбo˝ ja sild tasakaalustatakse (st galvanomeetri osuti viiakse nulli) võrdlusõla takistuse (10; 100; 1000 ) muutmise ning reohordi (numbriskaala) keeramise abil;

Seejärel viiakse lüliti asendisse ˝точно" ja reohordi keeramise teel tasakaalustatakse sild uuesti;

Mõõdetav takistus Rx = mR, kus m on reohordi skaala näit ja R on võrdlusõla takistus;

Mõõtmise lõpul viiakse toitelüliti neutraalasendisse, galvanomeetri lüliti asendisse "K3".
Töö ülesanne.
Töös määratakse elektrolüüdi vesilahuste erijuhtivus ja molaarne elektrijuhtivus 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 . Tugeva elektrolüüdi lahuse puhul leitakse katseandmete alusel elektrijuhtivus lahuse lõpmatul lahjendusel nn. piiriline molaarne elektrijuhtivus λ0. Nõrga elektrolüüdi korral arvutatakse dissotsiatsiooniastmed ja dissotsiatsioonikonstant.
Katseandmed esitatakse järgmiselt:
A. Elektroodide konstandi määramine:
Mõõdetud takistus 0,02 M KCl lahusega 1)1,15*100=115 Ω
2)1.16*100=116 Ω
R=(115+116)/2=115.5 Ω
0.02 M KCl erijuhtivus (temperatuuril 25°C) 0.2765 Cm/m (vt. tabelist)
Nõu konstant 31.94 m–1
K=l/S=k*R= 115.5*0.2765=31.93575=31.94 m–1
B. Elektrolüüdi dissotsiatsioonikonstandi määramine:
Kasutatav nõrk hape : etaanhape (CH3COOH) (40/50,30/50,20/50) 0.4149n
Piiriline molaarne elektrijuhtivus 0= 390,710–4 S m2 mol–1 (arvutatakse käsiraamatu abil)
0 = 1349,810–4 + 140,910–4 = 390,710–4 S m2 mol–1
Jrk
nr.
Lahuse
kontsentratsioon
CM, mol/l
Mõõdetud takistus
R, Ω
Eri-juhtivus
κ, S/m
Molaarne
elektrijuhtivus
, S m2 mol–1
Dissotsiat-siooniaste

Dissotsiat-siooni-konstant
Kc
1
40/50
0.33192
340
0.0939
2.8*10–4
0.0072
1.7*10-5
2
30/50
0.24894
390
0.0819
3.3*10–4
0.0084
1.77*10-5
3
20/50
0.16596
465
0.0687
4.1*10–4
0. 0105
1.85*10-5

Cm=n*x/50= (0.4149 *40)/50 = 0.33192 mol/l
k=Nõukonstant /R= 31.94/340= 0.0939 S/m
=k/Cm=0.0939/(0.33192*1000)= 0.000282899 = 2.8*10–4
S m2 mol–1
 = /0 = 2.8*10–4
/390,710–4 =0.0072
Kc= (^2*Cm)/(1-0.0072^2*0.33192)/(1-0.0072)=0.000017206/0.9928=1.7*10-5

Cm=n*x/50=(0.4149*30)/50 = 0.24894 mol/l
k=Nõukonstant /R= 31.94/390=0.0819 S/m
=k/Cm=0.0819/(0.24894 *1000)=0.000328994 =3.3*10–4
S m2 mol–1
 = /0 = 3.3*10–4
/390,710–4 =0.0084
Kc= (^2*Cm)/(1-0.0084^2*0.24894)/(1-0.0084)=0.000017565/0.9916=1.77*10-5

Cm=n*x/50=(0.4149*20)/50 = 0.16596 mol/l
k=Nõukonstant /R= 31.94/465= 0.0687 S/m
=k/Cm=0.0687/(0.16596*1000)= 0.000413955 = 4.1*10–4
S m2 mol–1
 = /0 = 4.1*10–4
/390,710–4 =0.0105
Kc= (^2*Cm)/(1-0.0105^2*0.16596)/(1-0.0105)=0.000018297/0.9895=1.85*10-5
Dissotsiatsioonikonstandi keskmist :
Kc (keskmist) = (1.7*10-5 +1.85*10-5 +1.77*10-5 )/3=1.77 *10-5 =0.000017733=0.0000177
Kc(tabelist)= 0.0000174
Viga:
p=100%-(1,74*10-5/1.77*10-5)*100%=1.7%
Järeldused.
Töös määratakse elektrolüüdi vesilahuste erijuhtivus ja molaarne elektrijuhtivus real kontsentratsioonidel, milleks mõõdetakse juhtivusnõus elektroodide vahel paikneva lahusekihi takistust. Mõõtmisel kasutatavate elektroodide konstant määratakse kindla kontsentratsiooniga teadaoleva eritakistusega KCl lahuse abil.
Dissotsiatsiooniaste sõltub lahuse kontsentratsioonist ja temperatuurist – mida lahjem lahus ja mida kõrgem temperatuur, seda suurem on elektrolüüdi dissotsiatsiooniaste.
Dissotsiatsioon konstante keskmine tuli 0,0000177, aga kui vaatada tabelis siis ta on 0,0000174. Määratud dissotsiatsiooni konstant on 1.7% natuke suurem kui tabelist. Selline meetod me same kasutada, sest et viga meil on väike.
Ma kasutan abimaterjalid – tabelid :Nõrkadeelektrolüütide ja alustedissotsiatsioonikonstant ja pKvesilahustes 25°C juures