Elektrijuhtivuse määramine (2)

TTÜ materjaliteaduse instituut

Füüsikalise keemia õppetool
KYF0080 Füüsikaline ja kolloidkeemia
Laboratoorne
töö nr:
FK15
Töö pealkiri:
Elektrijuhtivuse määramine
Õpperühm:
Töö teostaja :
Õppejõud:
K. Lott
Töö teostatud:
14.03.2011
Protokoll esitatud:
22.03.2011
Protokoll arvestatud:
Skeem:
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).
Töö teoreetilised alused
Lahusekihi takistus, mis asub elektroodide vahel kaugusega l ja pindalaga s, väljendub valemiga , kus r on eritakistus .
Lahuse erijuhtivus k on eritakistuse pöördväärtus. Tema ühikuks on S m-1 ja ta väljendub valemiga , 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 , kus n - normaalne kontsentratsioon (g-ekv l-1); 1000 on üleminekutegur m3 liitritele. Kui määta elektroodidevahelist kaugust cm-s, siis väljendub seos l' ja k' vahel , kus k' ja l' ühikuteks on vastavalt S cm-1 ja S cm2 g-ekv-1. Lahuse lahjendamisel ekvivalentjuhtivus kasvab ja läheneb lõpmatul lahjendusel oma piirväärtusele l0. Piiriline ekvivalentjuhtivus l0 võrdub piiriliste ekvivalentjuhtivuste ehk lühidalt ioonjuhtivuste
ja
summaga . Lahuse ekvivalentjuhtivuse suhe piirilisse ekvivalentjuhtivusse võrdub elektrolüüdi dissotsiatsiooniastme a ja elektrijuhtivuse teguri f korrutisega . Nõrkade elektrolüütide lahuste korral f = 1 ja λ /λ0 = α. 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
ja , kus c on molaarne kontsentratsioon.
Tugevate elektrolüütide lahustes α = 1 ja λ / λ0 = f .
Elektrijuhtivuse tegur f näitab ioonidevahelise mõju tugevust. Vastasmõju puudumisel f = 1.
Tugevate elektrolüütide lahustes l on lineaarses sõltuvuses kontsentratsiooni ruutjuurest: (Kohlrauschi valem): . Ioonjuhtivused on võrdelised ioonide liikuvustega u0 s.o. liikumiskiirustega ühikulise tugevusega elektriväljas (1V m-1): . Antud iooni poolt ülekantud elektrihulga suhet kogu ülekantud elektrihulka nimetatakse iooni
ülekandearvuks t, mis sõltub ioonide liikumiskiirusest v:
Aparatuur
Vahelduvvoolusild P-38, juhtivusnõu, vesitermostaat, 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.
Katse andmed ja arvutused

Elektroodide konstandi määramine:
mõõdetud takistus 0,02n KCl lahusega 114Ω.
0,02n Kcl erijuhtivus (temperatuuril 25°C) 0,2767 S/m (tabelist võetud).
Nõu konstant:

Uuritav elektrolüüt – äädikhape 0,4169n CH3COOH
(käsiraamatust)
Jrk nr.
Lahuse norm kont
N
Mõõdetud takistus
R, Ω
Elektrijuhtivus
χ, S/m
Ekvivalentjuhtivus
λ, Sm2/gekv
Dissotsiatsiooniaste
α
Näiline dis. konstant
K
1
0,208
430
0,073
1,76 · 10-4
45,037 · 10-4
8,494 · 10-6
2
0,167
480
0,066
1,576 · 10-4
40,346 · 10-4
6,814 · 10-6
3
0,125
560
0,056
1,351 · 10-4
34,582 · 10-4
5,003 · 10-6
4
0,083
690
0,046
1,097 · 10-4
28,067 · 10-4
3,293 · 10-6
5
0,042
980
0,032
0,772 · 10-4
19,761 · 10-4
1,631 · 10-6
keskmine
5,047 · 10-6
Tabeli arvutused on tehtud MS Excelis ning selles tabelis ümardatud.
Näitan arvutuskäigu tabeli esimese veeru alusel:

Lahuse erijuhtivus

Lahuse ekvivalentjuhtivus

Dissotsiatsiooniaste
(nõrkade elektrolüütide korral f=1)

Näiline dissotsiatsioonikonstant

• Näiliste dissotsiatsioonikonstantide keskmine
  

Käsiraamatus on äädikhappe K=1,754 · 10-5

• Suhteline viga
  

Kokkuvõte
Nagu arvutustest näha siis viga on väga suur, mis on endalegi üllatuseks. Ei oska öelda, mis nii valesti läks. Võimalik, et lugesin mingeid näite valesti. Arvutused kontrollisin mitu korda üle (ka Excelis) ja nendes viga ei leidnud.
Lahuste mittehoolikas valmistamine ja elektroodi halb loputamine võis ka viga anda, aga mitte nii suurt.