Оскільки Rx= 1/ǽ .l/S, стала посудини Кп = l/S= Rx.ǽ
Для перевірки величини сталої посудини (Кп) одержують у лаборанта контрольний розчин, визначають його опір і розраховують питому електропровідність за рівняннямǽ=Kn/ Rx.
Задача 2. Вимірювання електропровідності розчинів сильних та слабких електролітів.
Вимірюють опір розчинів електролітів (за вказівкою викладача), розраховують ǽ і λ. Величину λо знаходять як суму табличних величин граничних іонних електропровідностей.
Розраховують ступінь дисоціації електролітів a і роблять висновки щодо їх відносної сили.
Задача 3. Визначення константи дисоціації слабкої кислоти.
Мета роботи - прослідкувати за зміною питомої і еквівалентної електропровідностей та ступеня дисоціації слабкої кислоти при розведенні розчину, розрахувати .константу дисоціації при різних концентраціях і перевірити правомірність закону Оствальда. Для експериментів беруть 0,1 н. розчин слабкої кислоти (оцтової, мурашиної чи іншої). В посудину для вимірювання електропровідності наливають піпеткою 10 мл розчину кислоти. Ставлять посудину в термостат, витримують 5-10 хв. для того, щоб температура була сталою, і вимірюють опір розчину. Розводять розчин вдвічі шляхом додавання до нього за допомогою піпетки 10 мл дистильованої води. Змішують розчин обережним струшуванням посудини і знову вимірюють його опір.
При подальших розведеннях кожний раз відбирають із посудини піпеткою 10 мл розчину і доливають 10 мл дистильованої води. Послідовне розведення проводять кілька разів (за вказівкою викладача).
Результати експериментів записують до таблиці.
| Номер виміру | Концентрація розчину, с | Розведення розчину, w | R | ǽ | λ | a | К |
| 1 | |||||||
| 2 | |||||||
| 3 | |||||||
| 4 | |||||||
| 5 |
Будують графіки: 1)ǽ=f(с); 2) λ = f(w); 3) a = f(с).
Література: 1, с. 382-384, 400-406; 2, с. 145-148.
9. ЕЛЕКТРОРУШІЙНІ СИЛИ
Якщо метал занурити в розчин, що містить іони цього металу, то між металом та іонами встановиться рівновага
Mz+ + z.e= M,
в результаті якої між металом і розчином виникне різниця потенціалів.
Система з двох електродів, які занурені в розчини електролітів, створює електрорушійну силу (ЕРС) і називається гальванічним елементом. форма запису гальванічних ланцюгів така: всі фази записують послідовно, позначаючи вертикальною рискою поверхні поділу між ними; від'ємний електрод записують ліворуч, додатний — праворуч; внизу вказують активності електролітів у розчинах. Так, елемент Данієля-Якобі, що складається з мідного і цинкового електродів, занурених у розчини сульфатів міді та цинку відповідно, позначається так:
(-) Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu (+)
а1 а2
В цьому елементі ЕРС виникає за рахунок хімічної реакції:
Zn + CuSO4=Cu + ZnSO4.
Визначити потенціал електрода по відношенню до розчину неможливо, але можна виміряти різницю потенціалів між двома електродами, тобто ЕРС гальванічного елемента Е = е+- е-.Тому за потенціал електрода приймається ЕРС елемента, який складається з даного електрода та стандартного водневого електрода, потенціал якого умовно дорівнює нулю.
Стандартний водневий електрод являє собою платинову пластинку, яка занурена в розчин з активністю іонів водню, рівною одиниці, і омивається струменем водню під тиском в 1 атм. Робота його ґрунтується на реакції
Н+ + е= 1/2Н2.
За рівнянням Нернста потенціал електрода Mz+/М
де R- універсальна газова стала, Т — температура, z — число електронів в рівнянні електродної реакції, F - стала Фарадея, а+- активністьіонів металу, ε° — стандартний електродний потенціал (потенціал при а+= 1). Активність іонів металу зв'язана з їх моляльною концентрацією співвідношенням
а+ = m+ .γ±
де γ± - середній коефіцієнт активності електроліту; він залежить від концентрації розчину і для гранично розведених розчинів дорівнює одиниці.
Для стандартної температури 298 К рівняння Нернста має вигляд
.
У лабораторній практиці при вимірюванні електродних потенціалів замість водневого електрода часто користуються більш зручним електродом порівняння - каломельним. Він складається із ртуті, покритої пастою з калом елі, в розчині хлориду калію: КСl | Нg2Сl2, Hg. Потенціал нормального каломельного електрода (при концентраціїKCl1 моль/л) при 20 °С дорівнює 0,282 В, при 25 С—0,281 В.
Для вимірювання потенціалу будь-якого електрода його з'єднують з каломельним електродом, вимірюють ЕРС одержаного елемента і за відомим потенціалом каломельного електрода розраховують потенціал досліджуваного електрода.
Елементи, в яких матеріали електродів та електроліти однакові, але різні концентрації розчинів, називаються концентраційними, наприклад: (-)Аg | АgNО3 | AgNO3 | Ag(+). Такий елемент дає ЕРС за рахунок різниці між концентраціями. При Т = 298 К
Для вимірювання ЕРС використовується компенсаційний метод, принцип дії якого полягає в тому, що ЕРС досліджуваного елемента врівноважується відомою різницею потенціалів.
При вимірюванні ЕРС як еталон використовують нормальний елемент Вестона:
(-) Сd(Нg) | СdSO4 . 8/3H2O | НgSO4 (+).
насичений
ЕРС елемента Вестона відзначається стабільністю в часі і малим температурним коефіцієнтом: при 20 ˚С Е = 1,0183 В, при 25 ˚С Е = 1,0181 В.
Прилади для вимірювання ЕРС за компенсаційним методоммаютьназву потенціометрів (рис. 11).
Рис. 11. Принципова схема потенціометра
ЕA. — акумулятор, АВ — еталонний опір, С — рухомий контакт, ЕН — нормальний елемент Вестона, ЕХ — досліджуваний елемент, К — перемикач, Г — гальванометр
Обидва елементи і акумулятор підключають до клеми А еталонного опору АВ однойменними полюсами. Перемикачем К спочатку включають в боковий ланцюг нормальний елемент і знаходять таке положення рухомого контакту С, при якому струм через елемент не проходить (стрілка гальванометра показує нуль). Потім вмикають досліджуваний елемент і аналогічно знаходять точку компенсації С` . Тоді ЕH/EX = опір АС/ опір АС` , звідки, якщо відомі опори АС та АС` , можна розрахувати ЕX.
Компенсаційний метод дає змогу отримувати точні значення ЕРС завдяки тому, що в момент вимірювання струм через елемент не проходить. Тільки в цьому випадку напруга досліджуваного елемента дорівнює його ЕРС.
Альтернативою потенціометра може бути вольтметр, що має великий внутрішній опір. При вимірюванні ЕРС таким вольтметром струм, що проходить через досліджуваний елемент, дуже малий. Величина ЕРС елемента завдяки цьому практично не викривляється. В лабораторії використовується електронний вольтметр В7-35.
Виконання роботи
Задача 1. Визначення ЕРС елемента і електродних потенціалів.
Збирають елемент Даніеля-Якобі (чи інший за вказівкою викладача), В одну із пробірок наливають кілька мл 1 М розчину ZnSO4 і вставляють цинковий електрод, в другу — приблизно такий же об'єм 1 М розчину ZnSO4 і мідний електрод. Електроди заздалегідь зачищають наждачним папером і промивають водою. Обидві пробірки з'єднують зігнутою трубкою (сифоном), котра заповнена желатиновим холодцем, виготовленим на розчині КСl або КNО3. Елемент підключають до потенціометра чи вольтметра і вимірюють його ЕРС.
Для визначення потенціалів окремих електродів (Zn і Cu) їх з'єднують з каломельним електродом і вимірюють ЕРС одержаних елементів (рис. 12). Схема елемента при вимірюванні потенціалу цинкового електрода:
Zn | ZnSO4 || KCl | Hg2Cl2, hg; E=εкал - εZn.
Схема елемента при вимірюванні потенціалу мідного електрода:
Hg, Hg2Cl2 | KCl | CuSo4 | Cu; E= εCu - εкал
За відомими значеннями ЕРС і потенціалу каломельного електрода розраховують потенціали мідного і цинкового електродів.
Рис 12. Гальванічний елемент для вимірювання окремих електродних потенціалів: 1 — досліджуваний електрод, 2 — сифон, 3 — проміжна посудина з 1 М розчином КСl, 4 — каломельний електрод
За формулою Нернста обчислюють теоретичні значення потенціалів цинкового і мідного електродів і порівнюють їх з визначеними експериментальне. Стандартні електродні потенціали міді і цинку
дорівнюють: ε0Cu = + 0,337 В; ε0Zn = - 0,763 В.
Середні коефіцієнти активності γ± деяких електролітів при 298 Кнаведено далі
| С, МОЛЬ/Л | CuSO4 | ZnSO4 | AgNo3 | КСl, КВг | КJ |
| 0,01 | 0,44 ' | 0,39 | 0,90 | 0,90 | 0,90 |
| 0,1 | 0,15 | 0,15 | 0,73 | 0,77 | 0,78 |
| 1,0 | 0,04 | 0,04 | 0,43 | 0,61 | 0,65 |
Для всіх досліджуваних елементів записують реакції на. катоді і аноді, загальну реакцію в іонній та молекулярній формі, рівняння для ЕРС.
Задача 2. Визначення ЕРС концентраційного елемента.
Збирають гальванічний елемент з двох однакових електродів (мідних, цинкових, срібних тощо) у відповідних розчинах різних концентрацій (за вказівкою викладача). Вимірюють його ЕРС і порівнюють її з теоретичною величиною, розраховуючи відносну помилку.
Література: 1, с. 392-394, 409-433; 2, с. 152-160, 168-190.
10. ПОТЕНЦІОМЕТРИЧНЕ ВИЗНАЧЕННЯ рН
Водневим показником рН називається від'ємний десятковий логарифм активності іонів водню: рН = - lgаH+. При 298 К в нейтральному середовищі рН - 7, в кислому — рН < 7, в лужному — рН > 7.