FK 5, Lahustunud elektrolüüdi isotoonilisusteguri krüoskoopiline määramine (1)

TTÜ
Materjaliteaduse instituut
Füüsikalise keemia õppetool
Töö nr. FK5
Töö pealkiri: Lahustunud elektrolüüdi isotoonilisusteguri krüoskoopiline määramine
Üliõpilase nimi ja eesnimi :
Õpperühm:
Töö teostamise
kuupäev:
Kontrollitud:
Arvestatud:

Töö ülesanne

Töös tuleb mõõta vee ja teadaoleva kontsentratsiooniga elektrolüüdi vesilahuse külmumistemperatuurid. Lahuse külmusmistemperatuuri langusest arvutan isotoonilisusteguri, kusjuures nõrga elektrolüüdi puhul tuleb arvutada ka dissotsiatsiooniaste , tugeva elektrolüüdi puhul aga osmoositegur.
Minu konkreetne tööülesanne oli: Määrata KNO3 isotoonilisustegur , mõõtes tema 8% vesilahuse külmumistemperatuuri. Arvutada lahuse osmoositegur.

Katse käik

Jahutamiseks kasutatakse laboratoorsetel pooljuhtidel töötavat mikrojahutit. Temperatuuri mõõtmiseks kasutatakse termopaari, mis tuleb sukeldada mõõdetavasse lahusesse. Termopaar koosneb kahest metalltraadist, millel on kaks ühenduskohta. Üks ühenduskoht tuleb sukeldada uuritava aine lahusesse ja teise traadi temperatuur on juba fikseeritud. Temperatuuride erinevustest tekib ühenduskohtade vahel pinge, mis on võrdeline temperatuuride vahega ja selle alusel saabki määrata lahuse temperatuuri.
Termopaar on ühendatud arvutiga läbi muunduri ja temperatuuri saab jälgida arvutiprogrammist.
Algul mõõtsin puhta lahusti (destilleeritud vee) külmumistemperatuuri. Selleks valasin lahustit 1,5 cm kihina katseklaasi. Seejärel asetasin termopaari kohale nii, et see ulatus kindlalt vedelikku. Katseklaasi panin jahutisse ja alustasin temperatuuri fikseerimist käivitades arvutiprogrammi.
Enne lahusti kristallatsiooni toimus allajahtumine. Pärast allajahtumist esinev maksimaalne temperatuur ongi külmumistemperatuur. Puhta lahusti korral jäi see mõneks ajaks püsima.
Edasi määrasin uuritava aine lahuse külmumistemperatuuri. Selleks loputasin katseklaasi lahusega üle, valasin 1,5 cm paksuse kihi lahust katseklaasi, kuivatasin termopaari ära ning asetasin seejärel lahusesse. Määrasin külmumistemperatuuri samamoodi nagu puhta lahusti korralgi.
Katse lõppedes salvestasin andmete tabeli Excelisse.

Teoreetiline põhjendus ja valemid

Lahjendatud lahus koosneb vedelast lahustist ja temas lahustunud mittelenduvast ainest. Lahjendatud lahuste üldiste omaduste all mõistetakse neid lahjendatud lahuse omadusi, mis sõltuvad lahustist, kuid ei sõltu lahustunud aine omadustest.
Raoult ’i II seadus: Mittelenduva aine lahjendatud lahuse aururõhk p on võrdne lahusti aururõhuga lahuse korral:
, kus x1 on lahusti moolimurd lahuses.
Lahustunud aine kontsentratsioonile üleminek:
Asendades x1, saame:
See on Raoult’i seaduse rakenduslik kuju: Aururõhu suhteline langus on võrdne lahustunud aine moolimurruga lahuses.
Lahustunud aine molekulmassi leidmiseks on vaja teada aururõhu langust . Sageli kasutatakse selle asemel lahuse keemistäpi või külmumistäpi langust.
Lahusti ja lahuse külmumistemperatuuride vahelist erinevust nimetatakse külmumistemperatuuride languseks:
Lahjendatud lahuse külmumistemperatuuri alanemine on võrdeline lahuse molaalsusega:
kus ∆T on lahuse külmumistäpi alanemine, m on lahuse molaalsus ja Kk on krüoskoopiline konstant, mis on võrdne külmumistemperatuuri langusega, kui lahuse molaalsus on 1. Leitav käsiraamatust.
kus Tk on lahusti külmumistemperatuur, ∆Hs on lahusti molaarne sulamissoojus , Mi on lahusti molekulmass ja R on universaalne gaasikonstant .
Isotoonilisustegur i väljendab lahuses olevate molekulide ja ioonide üldarvu ja lahustumiseks võetud molekulide arvu suhet. Kui tuua sisse isotoonilisustegur, saame külmumistäpi alanemiseks:
Kui iga molekul võib dissotsieeruda ν iooniks , siis dissotsiatsiooniaste α avaldub:
Katseliselt leitud ∆Tk alusel saame uuritava lahuse isotoonilisusteguri i:
Kui uuritava lahuse kontsentratsioon on antud massiprotsentides, siis saab selle üle viia molaalsuseks.

Katseandmed ja arvutused

Kasutatud lahusti: dest. H2O
Lahusti krüoskoopiline konstant: Kk=1,86 kg*K/mol
Kasutatud lahustatud aine: KNO3
Lahuse protsentkontsentratsioon: c%=8 %
Lahusti protsentkontsentratsioon: C%=100%-8%=92%
Lahusti külmumistemperatuur: t0=0,35 ⁰C → T0=0,35+273,15=273,50 K
Lahuse külmumistemperatuur: t=-1,48 ⁰C → T=-1,48+273,15=271,67 K
Lahuse külmumistemperatuuri langus: ∆T=T0-T → ∆T=273,50-271,67=1,83 K
M(KNO3)=39,10+14,01+3*16,00=101,11
Lahuse molaalne kontsentratsioon:
Isotoonilisustegur:
Osmoositegur:
Dissotsiatsiooniaste: