Экспериментальная часть

Электропроводность растворов электролитов рассчитывают по электрическому сопротивлению, которое измеряется с помощью кондуктометров различных конструкций. Работа кондуктометра основана на принципе мостика Кольрауша (рис. 3.2).С помощью подвижного контакта (К) находят такое положение, при котором ток через боковую цепь (СК) идти не будет (рис. 3.2). Такое состояние моста называется балансом. Принципиальная схема реохордного моста Р38 и порядок работы на нем приведена в приложении.

Рис. 3.2. Схема установки для определения электропроводности (мостик Кольрауша).АВ - реохорд;К – подвижный контакт; Г – звуковой генератор; Т – телефон или осциллограф; Rx – стакан сисследуемым раствором; R – магазин сопротивлений.

Последовательность выполнения работы по измерению молярной электропроводности слабого электролита и определению его константы диссоциации следующий.

1. Определяют константу электродов, так как в электролитической ячейке неизвестны ни сечение электродов, ни расстояние между ними. Константа электродов определяется по раствору хлорида калия (KCl) с известной удельной электропроводностью:

С помощью кондуктометра измеряют сопротивление раствора KCl, который наливают так, чтобы раствор был выше уровня электродов более чем на 2 см. Вычисляют константу электродов:

2. Определяют молярную электропроводность исследуемого раствора. Сначала измеряют сопротивление исследуемого раствора (R) на кондуктометре, заливая электролитическую ячейку также, как и в случае с раствором KCl.

Затем рассчитывают удельную электропроводность исследуемого раствора:

После этого, зная молярную концентрацию исследуемого раствора (с) в , находят молярную электропроводность:

3. Вычисляют константу диссоциации слабого электролита по формуле (3.6):

Значения молярной электропроводности при бесконечном разведении () [См×м² кмоль^-1] приведены в таблице.

Таблица

Вопросы для защиты лабораторной работы 3

3.1. Четыре типа электрической проводимости (электропроводности).

3.2. Что такое электролит? Принципиальное различие слабых и сильных электролитов.

3.3. Что такое активность ионов?

3.4. Что такое удельная электропроводность раствора электролита?

3.5. Что такое молярная электропроводность и как она зависит от разведения раствора?

3.6. Зачем при измерении удельной электропроводности раствора определяют сначала константу электродов?

3.7. Принцип работы мостика Кольрауша.

Лабораторная работа 4. Электрохимические процессы. Гальванический элемент

Электрохимическим (гальваническим) элементом называется устройство (прибор) для получения электрического тока за счет химических реакций, протекающих на электродах. Простейший электрохимический элемент состоит из двух полуэлементов – металлических пластин (электродов), которые опущены в растворы электролитов (например, соли этих металлов). Растворы электролитов соединяются между собой (чаще с помощью солевого мостика, чтобы свести к минимуму диффузный потенциал, возникающий на границе растворов). При этом на электродах возникают разные по величине равновесные электродные потенциалы, разность которых и определяет электродвижущую силу (ЭДС) данного гальванического элемента.

4.1. Механизм возникновения электродного потенциала

Металлы имеют кристаллическое строение. Для образования элементарной ячейки кристалла каждый атом металла предоставляет валентные электроны для образования химической связи в кристалле, а сам в виде катиона «садится» в узел кристаллической решетки. В такой элементарной ячейке кристалла большое количество (более двух) электронов одновременно «обслуживает» все ядра узлов решетки. Такая химическая связь называется металлической. При этом элементарная ячейка кристаллической решетки электронейтральна.

Если погрузить металлическую пластинку в водный раствор соли того же металла, то на границе металл-раствор будут идти два процесса, схематично показанные на рис. 4.1. Металлическая пластинка на рисунке показана в виде части кристаллической решетки, в узлах которой катионы металла, между ними валентные электроны. В растворе соли этого металла находятся три типа частиц: катионы металла (Å), анионы кислотного остатка

(Θ) и молекулы воды. Эти частицы постоянно «бьются» о поверхность металла, так как их количество огромно (порядка 10²³ штук).

Рис. 4.1. Схема процессов, происходящих на границе металл-раствор

Положительные ионы металла из узлов кристаллической решетки, находящихся на поверхности, гидратируются (в результате взаимодействия с молекулами воды) и некоторое их количество переходит в раствор. В результате этого перехода на пластинке образуется избыток электронов, она заряжается отрицательно. Энергия этого процесса – энергия гидратации (Ег).

В то же время гидратированные катионы металла, находящиеся в растворе, отбирая на поверхности металла электроны, образуют атомы металла, которые становятся частью кристаллической решетки. Этот процесс приводит к дефициту электронов и пластинка заражается положительно. Энергия этого процесса – энергия выхода иона металла из раствора (Ев). В зависимости от того, какой из двух процессов преобладает, т.е. какая из энергий (Ег или Ев) больше, пластинка заряжается отрицательно или положительно. Преобладание того или иного процесса идет до состояния равновесия, при котором скорости этих процессов выравниваются.

Таким образом, между металлическим электродом и раствором устанавливается состояние равновесия, которое можно представить в виде следующей схемы:

Ме - nē D Меⁿ⁺ (4.1)

Если металл зарядился отрицательно и наступило равновесие (рис. 4.2.), то катионы металла из раствора притягиваясь концентрируются вблизи поверхности. Образуются двойной электрический слой, состоящий из адсорбционного и диффузного слоя, что определяется тепловым движением. Если металл заряжается положительно, то картина обратная. Возникает определенный скачек потенциала, который принято называть электродным потенциалом.

Рис. 4.2. Схема строения двойного электрического слоя.

а – адсорбционный, б – диффузионный слои

4.2. Измерение электродных потенциалов. Ряд стандартных электродных потенциалов

Измерить абсолютную величину электродного потенциала невозможно. С помощью того или иного прибора можно измерить разность потенциалов между двумя электродами (ЭДС). Для того, чтобы получить численные значения потенциалов различных электродов и иметь возможность сравнивать их, нужно было какой-нибудь электрод выбрать в качестве эталона и по отношению к нему измерять все потенциалы. Таким эталоном является стандартный водородный электрод.

Стандартный потенциал водородного электрода – это потенциал при температуре 298К, давлении водорода 1 атм и активности ионов водорода в растворе 1 . Условно стандартный потенциал водородного электрода принят равным нулю. По отношению к нему выражают потенциалы всех других электродов (Е⁰).

Если измерить стандартные электродные потенциалы различных металлов по отношению к потенциалу стандартного водородного электрода и расположить их в порядке увеличения, получим ряд напряжений металлов:

В этом ряду слева направо происходит уменьшение химической активности металлов. Положение металлов в ряду напряжений позволяет предсказать возможность самопроизвольного протекания реакции замещения.

Поиск по сайту: