Загальна інформація
Опис
Експериментальна установка
Електропровідність розчинів електролітів свідчить про те, що іонні кристали розчиняються у воді, утворюючи електрично заряджені частинки (іони). Утворені іони мігрують в електричному полі і, таким чином, забезпечують транспортування струму. Електричне поле створюється за допомогою двох електродів, занурених у розчин. Негативно заряджений катод притягує позитивні іони, які називаються катіонами. Навпаки, негативні іони мігрують до анода і тому називаються аніонами. Якби були створені нейтральні молекули, електролітична провідність була б відсутня.
В основному, сильні та слабкі електроліти відрізняються тим, що в сильних електролітах практично вся розчинена речовина розклалася (дисоціювала) на катіони та аніони, тоді як у слабких електролітах це відбувається лише до певної міри.
Додаткова інформація (1/2)
Попередні знання
Студенти та учні мають бути знайомі з основами електрохімії. Крім того, студенти повинні вміти працювати автономно з хімічними реактивами та бути знайомі з належною лабораторною практикою.
Науковий принцип
Розрізнити сильні та слабкі електроліти можна, вимірявши їхню електропровідність. Сильні електроліти підпорядковуються закону Кольрауша, тоді як слабкі електроліти описуються законом розведення Оствальда. Вивчення концентраційної залежності електропровідності дозволяє визначити молярну провідність нескінченно розведених електролітів, а також полегшує розрахунок ступеня дисоціації і константи дисоціації слабких електролітів.
Додаткова інформація (2/2)
Мета навчання
Завдання
Учні та студенти навчаться розрізняти сильні та слабкі електроліти за їхньою провідністю. Крім того, вони навчаться розраховувати константу дисоціації та молярну провідність.
- Визначте залежність електропровідності хлориду калію та оцтової кислоти від концентрації.
- Розрахуйте молярну провідність, використовуючи дані проведених вимірювань, і визначте молярну провідність при нескінченному розведенні методом екстраполяції.
- Визначте константу дисоціації оцтової кислоти.
Інструкції з техніки безпеки
Для цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Правила роботи з небезпечними речовинами наведено у відповідних паспортах безпеки!
Утилізація:
Розбавлені розчини хлориду калію та оцтової кислоти можна змити в каналізацію.
Теорія (1/2)
Опір провідника, що має однорідний поперечний переріз, пропорційний довжині і обернено пропорційний площі поперечного перерізу провідника.
Константа речовини називається питомим опором; - величина, зворотна питомому опору - питома провідність , а - величина, зворотна опору - електропровідність . Зазвичай, для металевих провідників використовується , а для електролітів - . Електропровідність розчину електроліту отримують таким чином:
що має розмірність .
(1)
(2)
Теорія (2/2)
Якщо необхідно виміряти провідність розчину, необхідно знати розміри ємності (довжину і площу). Тому ємність зазвичай калібрують розчином з відомою провідністю. Відношення виміряної електропровідності калібрувального розчину до табличної провідності безпосередньо дає відношення довжини до поперечного перерізу. Це співвідношення також відоме як постійна ємності. Зазвичай його можна знайти в доданому сертифікаті випробувань.
Через сильну залежність від концентрації електропровідність не підходить для порівняння електролітів. Для цих цілей краще визначити молярну електропровідність . Вона розраховується на основі питомої електропровідності і концентрації () речовини в розчині електроліту:
(3)
Обладнання
Підготовка та виконання роботи
Підготовка (1/6)
Приготуйте розчини, необхідні для експерименту, таким чином (1/4):
- 0,1 молярний розчин : Зважте 7,4551 г сухого хлориду калію (ексикатор) у мірну колбу об'ємом 1000 мл, додайте трохи дистильованої води для її розчинення, а потім долийте до калібрувальної позначки дистильовану воду.
- 0,05 молярний розчин : Зважте 3,7275 г сухого хлориду калію (ексикатор) у мірну колбу об'ємом 1000 мл, додайте трохи дистильованої води для її розчинення, а потім долийте до калібрувальної позначки дистильовану воду.
- 0,01 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 25 мл 0,1-молярного розчину у мірну колбу об'ємом 250 мл і долийте до позначки дистильовану воду.
- 0,005 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 25 мл 0,05 -молярного розчину у мірну колбу об'ємом 250 мл і долийте до позначки дистильовану воду.
Підготовка (2/6)
Приготуйте розчини, необхідні для експерименту, таким чином (2/4):
0,001 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 5 мл 0,1 -молярного розчину у мірну колбу об'ємом 500 мл і долийте до позначки дистильовану воду.
0,0005 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 5 мл 0,05-молярного розчину у мірну колбу об'ємом 500 мл долийте до позначки дистильовану воду.
0,0001 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 1 мл 0,1-молярного розчину у мірну колбу об'ємом 1000 мл долийте до позначки дистильовану воду.
Підготовка (3/6)
Приготуйте розчини, необхідні для експерименту, таким чином (3/4):
- 0,1 молярний розчин : Піпетуйте 100 мл 1 молярного розчину оцтової кислоти в мірну колбу об'ємом 1000 мл і потім доведіть до калібрувальної позначки дистильованою водою.
- 0,05 молярний розчин : Піпетуйте 50 мл 1 молярного розчину оцтової кислоти в мірну колбу об'ємом 1000 мл і доведіть до калібрувальної позначки дистильованою водою.
- 0,01 молярний розчин : Налийте 25 мл 0,1 молярного розчину у мірну колбу об'ємом 250 мл і доведіть до позначки дистильованою водою.
- 0,005 молярний розчин : Налийте 25 мл 0,05 молярного розчину у мірну колбу об'ємом 250 мл і доведіть до позначки дистильованою водою.
Підготовка (4/6)
Приготуйте розчини, необхідні для експерименту, таким чином (4/4):
0,001 молярний розчин : Налийте 5 мл 0,1 молярного розчину у мірну колбу об'ємом 500 мл і доведіть до позначки дистильованою водою.
0,0005 молярний розчин : Налийте 5 мл 0,05 молярного розчину у мірну колбу об'ємом 500 мл і доведіть до позначки дистильованою водою.
0,0001 молярний розчин : Піпетуйте 1 мл 0,1 молярного розчину у мірну колбу об'ємом 1000 мл і доведіть до позначки дистильованою водою.
Підготовка (5/6)
- Ознайомтеся з програмним забезпеченням PHYWE measureLAB, використовуючи докладний посібник, який можна знайти в програмі в розділі
- Налаштуйте експеримент, як показано на рис. 1.
- Запустіть комп'ютер і програмне забезпечення PHYWE measureLAB, якщо воно ще не запущено.
- Запустіть програму measureLAB і завантажте експеримент P3060667 "Провідність сильних і слабких електролітів за допомогою Cobra SMARTsense". Параметри вимірювання для цього експерименту завантажуються автоматочно.
Рис. 1: Експериментальна установка
Підготовка (6/6)
Калібрування датчика провідності Cobra SMARTsense:
Як правило, датчик не потребує калібрування. Проте, для досягнення високої точності відкалібруйте датчик за допомогою стандартного розчину (за 25 °C і відповідно до керівництва з експлуатації датчика і за допомогою налаштувань у measureLAB:
- Перейдіть у розділ "Датчики/ канали" і виберіть "Електропровідність". Щоб виконати калібрування за двома точками, натисніть на "Калібрування датчика".
- Введіть скориговане значення електропровідності за цієї температури. Ви можете знайти це значення на етикетці стандартного розчину (при 25 °C і .
- Натисніть кнопку "Застосувати скориговане значення" і повторіть цей крок для другої точки калібрування. Завершіть калібрування натисканням "OK".
Виконання роботи (1/4)
- Під час вимірювання провідності завжди починайте з розчину, що має найнижчу концентрацію в кожній серії вимірювань.
- Перед кожним новим вимірюванням ретельно промийте датчик, мензурку і стрижень магнітної мішалки спочатку дистильованою водою, а потім розчином, який необхідно згодом виміряти.
- Визначте електропровідність дистильованої води, яка використовується для розведення розчинів, і запишіть результат. Це необхідно для того, щоб під час оцінювання враховувалася електропровідність води.
- Встановіть на магнітну мішалку мензурку зі стрижнем магнітної мішалки. Налийте перший вимірюваний розчин хлориду калію в мензурку і занурте в розчин на глибину приблизно 5 см заздалегідь добре промитий датчик електропровідності.
Виконання роботи (2/4)
- Встановіть магнітну мішалку на середню швидкість перемішування.
- Запишіть перше значення, натиснувши .
- Потім у такий самий спосіб визначте відповідні питомі провідності інших розчинів, при цьому в кожному випадку вимірюйте розчин з наступною вищою концентрацією.
Під час запису серії вимірювань суворо стежте за чистотою, оскільки навіть найменші сліди забруднень (наприклад, перенесення частини одного розчину в інший) можуть призвести до реєстрації помилкових даних.
- Зупиніть вимірювання, натиснувши
- Повторіть вимірювання таким самим чином з іншим електролітом.
Виконання роботи (3/4)
- Перейдіть у базу даних і виберіть "Файл даних нового вимірювання". Змініть налаштування каналу відповідно до рис. 2.
- Поверніться в базу даних і виберіть створений канал "Концентрація" і файл даних вимірювань для електропровідності. Введіть відповідні значення концентрації у виміряні значення електропровідності (рис. 3).
Рис. 2: Створення нових даних вручну
Рис. 3: Приблизна таблиця
Виконання роботи (4/4)
- Тепер закрийте всі таблиці та діаграми і перейдіть у базу даних , де виберіть канал "Концентрація", а також дані вимірювання провідності та натисніть "Діаграма". Програма представить необхідний графік (рис. 4).
Це приклад, експериментальні результати можуть відрізнятися залежно від умов навколишнього середовища і чистоти розчинів.
- Виконайте зміни, використовуючи ту саму процедуру, що і з розчинами оцтової кислоти.
Рис. 4: Приклад графіка залежності електропровідності речовини від концентрації
Оцінка (1/6)
- Під час дослідження в електролітах залежності електропровідності від концентрації виявляється, що електропровідність збільшується при збільшенні концентрації, оскільки збільшується число носіїв заряду (йонів) Графік залежності молярної електропровідності від концентрації можна розрахувати, задавши параметри, наведені на рис. 5 (для хлориду калію та оцтової кислоти, відповідно). У цій операції можна також відняти електропровідність дистильованої води.
Рис. 5: Параметри зміни каналу
Оцінка (2/6)
- Щоб відобразити діаграму, перейдіть у базу даних і виберіть згенеровані канали для відповідних молярних провідностей, а також канал концентрації (рис. 6).
- На діаграмі виберіть "Концентрація" як вісь (див. рис. 7).
Рис. 6: Виберіть відповідні канали для відображення діаграми
Рис. 7: Виберіть "Концентрація" як вісь
Оцінка (3/6)
- На рис. 8 представлено приклад результату вимірювання молярної провідності хлориду калію та оцтової кислоти.
Це приклад, експериментальні результати можуть відрізнятися залежно від умов навколишнього середовища і чистоти розчинів.
Рис. 8: Приблизний результат для молярної провідності хлориду калію і кислоти.
Оцінка (4/6)
Молярна провідність наближається до межі зі збільшенням розведення. Це і є електропровідність нескінченного розведення. Кольрауш виявив таку відповідність природному закону концентраційної залежності молярної провідності для сильних електролітів:
Відповідно до закону Кольрауша, графік залежності молярної провідності від квадратного кореня з концентрації є пряма лінія. Перетин цієї лінії з ординатою є молярною провідністю при нескінченному розведенні.
Слабкі електроліти не дисоціюють повністю і мають нижчу провідність, ніж сильні електроліти. У разі збільшення концентрації рівновага дисоціації зміщується в бік недиссоційованих молекул. Ступінь дисоціації слабких електролітів - це коефіцієнт молярної провідності, поділений на молярну провідність при нескінченному розведенні: .
(4)
(5)
Оцінка (5/6)
Закон розведення Оствальда дійсний для слабких електролітів. Він дає змогу розрахувати константи дисоціації:
Граничне значення молярної провідності слабких електролітів за нескінченного розведення вперше досягається за надзвичайно низьких концентрацій; тому точні вимірювання в цьому разі вже неможливі.
Відтак, не може бути отримана шляхом екстраполяції -кривих для слабких електролітів. Рівняння (7) виводиться шляхом перетворення закону розведення Оствальда: .
(6)
(7)
Оцінка (6/6)
З рівняння (7) видно, що існує лінійна залежність між величиною, оберненою провідності, добутком молярної провідності та концентрацією слабких електролітів. Крім того, закон розведення Оствальда показує, що молярна провідність при нескінченному розведенні може бути отримана з точки перетину лінії з ординатою через .