Füüsikaline keemia labor 15 (3)

TTÜ Materjaliteaduse Instituut
Füüsikalise keemia õppetool
Töö nr. 15
ELEKTRIJUHTIVUSE MÄÄRAMINE
Üliõpliane:
Kood:
Töö teostatud:
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).
Teoreetiline osa: Lahusekihi takistus, mis asub elektroodide vahel kaugusega l ja pindalaga s, väljendub valemiga
R =  (7.1)
Kus  on eritakistus .
Lahuse erijuhtivus  (väike kappa ) on eritakistuse pöördväärtus. Tema ühikuks on S m-1 (juhtivuse ühik Siemens ) 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.
Aparatuur . Vahelduvvoolusild P-38, juhtivusnõu, vesitermostaat, 100-ml mahuga mõõtekolvid, pipetid.
Katse käik. Töös kasutatakse juhtivusnõusse valatud elektrolüüdilahuse takistuse mõõtmiseks vahelduvvoolusilda P-38.
Juhtivusnõudel (joon. 13) 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.
Joon. Näited juhtivusnõudest
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.
Katseandmed ja arvutused:
Elektroodide konstandi määramine:
mõõdetud takistus 0,02 n KCl lahusega 1) 114 Ω.
2) 115 Ω
0,02 n KCl erijuhtivus (temperatuuril 25 °C) k=0,2765 Cm/m
nõu konstant K=l/s=R*k=114,5*0,2765=31,659 m-1
piiriline ekvivalentjuhtivus:
λ0 = λ0++ λ0-=(449,8+40,9)*10-4= 0,04907 Sm2/g-ekv
Kasutatav nõrk hape : äädikhape 0,4169 n
Jrk
nr.
Lahuse normaalne kontsentratsioon
n
Mõõdetud takistus
R, Ω
Eri-juhtivus
κ S/m
Ekvivalent -juhtivus
λ,
Dissotsiat-siooniaste
Näiline dissotsiat-siooni-konstant
K
1
0,0834
665
0,0476
5,707*10-4
0,0116
1,141*10-5
2
0, 1668
460
0,0688
4,125*10-4
0,0084
1,189*10-5
3
0,2501
380
0,0833
3,331*10-4
0,0068
1,160*10-5
Lahuse erijuhtivus:
κ1=K/R=31,659/665=0,0476
κ2=0,0688
κ3=0,0833
Lahuse ekvivalentjuhtivus:
λ 1 ==0,0476/(1000*0,0834)=5,707*10-4
λ 2=4,125*10-4
λ 3=3,331*10-4
Dissotsiatsiooniaste :
=> f=1=>
α1=5,707*10-4/0,04907=0,0116
α2=0,0084
α3=0,0068
Näiline dissotsiatsioonikonstant:
Kd=
K1=(5,707*10-4)2* 0,0834/(0,04907(0,04907-5,707*10-4))=1,141*10-5
K2=1,189*10-5
K3=1,160*10-5
Keskmine dissotsiatsioonikonstant: 1,163*10-5
Kirjanduse andmetetel dissotsiatsioonikonstant: 1,754*10-5
Viga:
p=100%-(1,163*10-5/1,754*10-5)*100%=33,69%
Järeldus:
Dissotsiatsioonikonstant tuli 1,163*10-5, kirjanduse andmetel peab olema 1,754*10-5 ning viga tuleb 34%. Tegemist võis olla mõõtmisveaga, sest puudusid paralleelkatsed.