I электрохимия

Вид материала

Лабораторная работа

Содержание Слабые электролиты Мольная электропроводность Вопросы и задачи к работе 1 HCl, если абсолютные скорости H Лабораторная работа 2 W) титруемого вещества от объема (V W от объема добавленной щелочи V Вопросы и задачи к работе 2 Электродные потенциалы Гальванический элемент Правила ИЮПАК для записи гальванических элементов и реакций, протекающих в них. Ox), а справа - в восстановленной (Red Рис.2. Гальванический элемент E  стандартный потенциал водородного электрода; P Лабораторная работа 4 Er  стандартный редокс-потенциал; n Лабораторная работа 5 Водородный показатель рН Кислотными буферными системами N – концентрация (мольл) добавленной кислоты (щелочи); V ... Полное содержание

Подобный материал:

• «Электрохимия, гальванотехника и обработка поверхности», посвященная 200-летию со дня, 94.6kb.
• Закономерности процесса фосфатирования магний-литиевых сплавов 02. 00. 05 электрохимия, 368.63kb.
• Рабочая учебная программа дисциплины Теоретическая электрохимия Направление подготовки, 468.83kb.
• Исследование влияния морфологии и химического состава поверхности ионообменных мембран, 332.73kb.
• Рабочая программа по дисциплине опд. Р. 01 «Электрохимическая синергетика», 157.53kb.
• Рабочая программа по Теоретической электрохимии для специальности 250300 Технология, 375.63kb.
• Рабочая программа для подготовки инженеров по специальности 250300 "Технология электрохимических, 128.05kb.
• Электрохимические и физико-химические аспекты фиторемедиации сточных и промывных вод,, 396.8kb.
• Халькогенсодержащие органические соединения для преобразователей энергии и информации., 961.61kb.

Глава I

электрохимия


Лабораторная работа 1

Определение константы диссоциации уксусной кислоты


Краткая теория:

Проводники I рода – металлы и их расплавы в которых электричество переносится электронами.

Проводники II рода – растворы и расплавы электролитов с ионным типом проводимости.

Электролиты – вещества, которые в растворе или расплаве распадаются на ионы – электрически заряженные частицы, способные к самостоятельному существованию в этих средах.

Сильные электролиты - вещества, практически полностью диссоциирующие при растворении в воде (NaCl, HCl, HNO₃ и т. д.).

Слабые электролиты диссоциируют на ионы частично (органические кислоты, вода, аммиак, сероводород). Полнота диссоциации слабого электролита количественно характеризуется степенью диссоциации α – отношение числа молекул, распавшихся на ионы (N_р), к общему числу молекул этого электролита, введенных в раствор (N_о):

α =N_p/N_o (1.1)

Степень диссоциации α выражают в долях единицы или в процентах. Степень диссоциации электролита зависит от концентрации, температуры раствора, характера растворителя, присутствия в растворе одноименных ионов.

Зависимость между степенью диссоциации α, концентрацией С и константой диссоциации К_Д электролита выражается законом разведения Оствальда:

(1.2)

где С_о – концентрация кислоты до диссоциации, α – степень диссоциации кислоты в растворе.

Для уксусной кислоты К_Д = 1,85∙10^-5.

Для очень слабого электролита α<<1, и тогда величиной α в знаменателе можно пренебречь (закон разбавления Оствальда):

К_Д ≈ С_о α² или (1.3)

Электрический ток есть упорядоченное перемещение заряженных частиц.

Всякий проводник, по которому течет ток, представляет для него определенное сопротивление R, которое, согласно закону Ома, прямо пропорционально длине проводника l и обратно пропорционально площади сечения S; коэффициентом пропорциональности является удельное сопротивление материала ρ – сопротивление проводника, имеющего длину 1 см и сечение 1 см²:

(1.4)

где ρ – удельное сопротивление, (Ом∙м).

Величина W, обратное сопротивлению, называется электропроводностью - количественной меры способности раствора электролита проводить электрический ток и зависит от геометрических параметров проводника:

(1.5)

где æ – удельная электропроводность, количественная характеристика способности проводников проводить электрический ток (Ом^-1∙см^-1) или (См∙м^-1) (См – сименс). При l = 1 см и S = 1 см² æ = W. Физический смысл удельной электропроводности – это электропроводность проводника длиной 1 см с площадью поперечного сечения 1 см².

Мольная электропроводность (эквивалентная электропроводность) λ – это электропроводность объема раствора, содержащего 1 моль (или 1 грамм-эквивалент) растворенного вещества и заключенного между электродами, находящимися на расстоянии 1см.

Размерность λ – (Ом^-1∙см²∙моль^-1) или (Ом^-1∙см²∙г-экв^-1).

λ = æ∙υ (1.6)

где υ – разведение раствора, величина обратная концентрации,

(см³ ∙моль^-1):

υ =1000/C (1.7)

Разведение, при котором достигается максимальное значение молярной электропроводности, условно называется бесконечным, а соответствующая ему электропроводность λ_∞ называется молярной электропроводностью при бесконечном разведении. Величину λ_∞ рассчитывают по значениям λ_∞ для сильных электролитов, содержащих соответствующие ионы:

λ_∞(CH₃COOH) = λ_∞(CH₃COONa) + λ_∞(HCl) - λ_∞(NaCl) (1.8)

Электропроводность электролита складывается из электропроводности катиона и аниона. Поэтому можно рассматривать λ_∞, как свойство суммарное (аддитивное):

λ_∞ = λ⁺ + λ^- (1.9)

Уравнение (1.9) является выражением закона Кольрауша: мольная электропроводность раствора электролита при бесконечном разведении равна сумме подвижностей ионов:

λ⁺ = Fu⁺ – подвижность катиона, (м² ∙Ом^-1 ∙моль^-1);

λ^- = Fu^- – подвижность аниона, (м² ∙Ом^-1 ∙моль^-1);

F – число Фарадея 9684·10⁴ (Кл/моль),

u⁺ и u^- – абсолютные подвижности катиона и аниона,(м²∙В^-1∙с^-1).

Зная значения молярной электропроводности при данном и при бесконечном разведениях можно вычислить степень диссоциации по формуле Аррениуса:

α = λ/ λ_∞ (1.10)


Цель работы: С помощью измерения удельной электропроводности растворов уксусной кислоты в интервале концентраций 0,0125 М  0,1 М, рассчитать мольную электропроводность, степень и константу диссоциации уксусной кислоты. Сделать заключение о применимости закона действия масс и других законов, справедливых для разбавленных растворов, для описания свойств раствора изученного слабого электролита  уксусной кислоты.


Оборудование: Портативный измеритель электропроводности и температуры для стандартных измерений, мерные цилиндры и стаканы для растворов уксусной кислоты и дистиллированной воды.


Реактивы: 0,1 M СН₃СООН, дистиллированная вода.


Порядок работы:

1. Измерить температуру воздуха в лаборатории и записать в тетрадь.
   
2. Промыть электрод с ячейкой дистиллированной водой и раствором уксусной кислоты концентрации 0,1 моль л^–1.
   
3. С помощью мерного цилиндра налить в стакан 50 мл раствора уксусной кислоты концентрации 0,1 моль л^–1.
   
4. Опустить электрод с ячейкой в стакан с уксусной кислотой и измерить удельную электропроводность раствора.
   
5. Отлить из стакана 25 мл раствора кислоты и добавить в стакан 25 мл дистиллированной воды (получили раствор с концентрацией 0,05 моль л^–1). Тщательно перемешать раствор, измерить его удельную электропроводность.
   
6. Отлить из стакана 25 мл раствора, добавить 25 мл дистиллированной воды (получили раствор с концентрацией 0,025 моль л^–1). Вновь измерить удельную электропроводность раствора.
   
7. Отлить из стакана 25 мл раствора, добавить 25 мл дистиллированной воды (получили раствор с концентрацией 0,0125 моль л^–1). Вновь измерить удельную электропроводность раствора
   
8. Результаты измерений и расчетов записать в таблицу 1.
   

Таблица 1.

t = °С

C моль л1	V см3 моль1	æ Ом1 см1	 Ом1 см2 моль1		К	__ К
0,1
0,05
0,025
0,0125

9. Рассчитать значения:
   

V = 1000/С,

 = æ/С,

 = /_,

_ = _(Н⁺) + _(СН₃СНОО^-),

К = С ²/(1).

Величину _ рассчитать, используя подвижности анионов и катионов при измеренной температуре. (Приложение 5).

10. Результаты работы представить в виде графиков зависимостей:
    

а) удельной электропроводности от разведения æ = f (V);

б) мольной электропроводности от разведения  = f (V);

в) степени диссоциации от разведения  = f (V).


Вопросы и задачи к работе 1

1. Привести примеры проводников первого и второго рода. Причина диссоциации электролитов на ионы в дипольном растворителе. Что является носителем заряда в этих проводниках?
   
2. Перечислить факторы, влияющие на величину емкости сопротивления ячейки.
   
3. Понятия: электропроводность, удельная электропроводность, молярная электропроводность. Дайте размерности этих величин.
   
4. Как изменяется степень диссоциации слабого электролита с ростом концентрации его раствора?
   
5. От каких факторов зависит электропроводность растворов электролитов?
   
6. Объяснить причины изменения удельной электропроводности растворов сильных и слабых электролитов при изменении их концентрации.
   
7. Объяснить причины изменения мольной электропроводности растворов сильных и слабых электролитов при изменении их концентрации.
   
8. Сформулировать закон Кольрауша о независимой подвижности ионов. Записать математическое выражение этого закона и указать его практическое значение.
   
9. Сформулируйте закон разведения Оствальда и запишите математическое выражение этого закона.
   
10. В чем заключается физический смысл разведения?
    
11. Что называется степенью диссоциации? Какие факторы влияют на степень диссоциации?
    
12. Что называется константой диссоциации? Написать выражения для констант диссоциации для НCOOH, H₂CO₃ по первой и второй ступеням.
    
13. Какая взаимосвязь существует между степенью и константой диссоциации слабых электролитов?
    
14. Каково соотношение между абсолютной скоростью движения ионов и подвижностью?
    
15. Рассчитать мольную электропроводность CH₃COOK при бесконечном разведении, если подвижности ионов CH₃COO^ и К⁺ равны 40,9 Ом^1 см² моль^1 и 75,3 Ом^1 см² моль^1, соответственно.
    
16. Вычислить предельную молярную электрическую проводимость CaCl₂ при 25°С, если подвижности ионов Ca⁺² и Cl^- соответственно равны 119 Ом^1 см² моль^1 и 76,3 Ом^1 см² моль^1.
    
17. Рассчитать концентрацию раствора электролита, если его разведение 50000 см³ моль^1.
    
18. Показать расчетом, какой из растворов электролитов KOH, KBr, HBr одинаковой концентрации имеет наибольшую мольную электропроводность.
    
19. Рассчитать степень диссоциации раствора муравьиной кислоты концентрации 0,05 М, если константа ее диссоциации равна 1,810^4. Считать, что степень диссоциации много меньше единицы.
    
20. Степень диссоциации муравьиной кислоты равна 0,3. Рассчитать мольную электропроводность муравьиной кислоты, если подвижности ионов НСОО^ и Н⁺ равны 56,4 Ом^1 см² моль^1и 350 Ом^1 см² моль^1, соответственно.
    
21. Абсолютные скорости движения ионов К⁺ и ОН^ при 298 К равны 7,6210^4 см² В^1 с^1 и 20,5 10^4 см² В^1 с^1, соответственно. Рассчитать мольную электропроводность гидроксида калия при бесконечном разведении.
    
22. Рассчитать удельную электрическую проводимость в 0,001 М растворе HCl, если абсолютные скорости H⁺ и Cl^- равны 32,410^4 см² В^1 с^1 и 6,810^4 см² В^1 с^1.
    
23. Молярная электрическая проводимость 0,1 М раствора AgNO₃ равна 94,3 См см²/моль. Определите удельную электрическую проводимость этого же раствора, если расстояние между электродами равно 3 см и поверхность каждого электрода 7 см².
    
24. Для предельно разбавленных растворов KBr, K₂SO₄ и LiSO₄ молярная электрическая проводимость соответственно равна 151,6; 307,7; 237,2 См см²/моль. Вычислите молярную электрическую проводимость для предельно разбавленного раствора LiBr.
    
25. Эквивалентная электропроводность бесконечно разбавленных растворов KCl, KNO₃, и AgNO₃ при 25°С равна, соответственно, 149,9, 145,0 и 133,4 См см²/моль. Какова эквивалентная электропроводность бесконечно разбавленного раствора AgCl при 25°С?
    
26. Рассчитайте удельную электрическую проводимость 0,16 М раствора пропионовой кислоты при 298 К, если К_д(С₂Н₅СООН)=1,3410^-5.
    
27. Вычислите предельную молярную электрическую проводимость бензойной кислоты, если предельная молярная электрическая проводимость электролитов NaBr, HBr, и C₆H₅COONa соответственно равны: 128,5 Ом^1 см² моль^1, 428,2 Ом^1 см² моль^1 и 82,5 Ом^1 см² моль^1.
    
28. Молярная электрическая проводимость раствора муравьиной кислоты при 25°С и разведении 1024 л/моль равна 143,5 Ом^1 см² моль^1, а при бесконечном разведении – 406,5 Ом^1 см² моль^1. Определите константу диссоциации кислоты.
    
29. Вычислите степень и константу диссоциации масляной кислоты, если удельная электрическая проводимость раствора масляной кислоты с концентрацией 0,0156 моль/л равна 1,8110^-4 Ом^-1см^-1.
    
30. Вычислите молярную электрическую проводимость хлорида бария в 10%-ном водном растворе (плотность 1,092 г/мл). Удельная электрическая проводимость этого раствора равна 0,0073 Ом^-1см^-1.
    
31. Удельная электрическая проводимость раствора, в 1,5 л которого находится 4,43 г хлоруксусной кислоты, равна 2,4110^-3 См/см. Определите степень и константу диссоциации хлоруксусной кислоты в данном растворе.
    
32. Водный раствор, содержащий массовую долю CaCl₂, равную 5%, имеет при 298 К плотность ρ=1,039 г/см³ и удельную электрическую проводимость 6,4310^-2 См/см. Определите молярную электрическую проводимость.
    
33. Молярная электрическая проводимость раствора с массовой долей 38% H₂SO₄ равна 140 Ом^1 см² моль^1 при 293 К. Определить удельную электрическую проводимость указанного раствора, если его плотность 1,286 г/см.
    
34. При 295 К удельная электрическая проводимость раствора, содержащего 10% SrCl₂, равна 8,8610^-2 См/см, а плотность раствора равна 1,0925 г/см³. Определите молярную электрическую проводимость данного раствора.
    
35. Удельная электропроводность 5%-го раствора Mg(NO₃)₂ при 18°С равна 4,38 См/м, а его плотность – 1,038 г/см³. Рассчитайте эквивалентную электропроводность раствора и кажущуюся степень диссоциации соли в растворе. Подвижности ионов Mg⁺² и NO₃^- при 18°С равна 44,6 и 62,6 Ом^1 см² моль^1.
    
36. Удельная электропроводность 4%-го водного раствора H₂SO₄ при 18°С равна 0,168 См/см, а плотность раствора – 1,026 г/см³. Рассчитайте эквивалентную электропроводность раствора.
    
37. Эквивалентная электропроводность водного раствора сильного электролита при 25°С равна 109,9 См см² моль^1 при концентрации 6,210^-3 моль/л и 106,1 См см² моль^1 при концентрации 1,510^-2 моль/л. Какова эквивалентная электропроводность раствора при бесконечном разбавлении?
    
38. Эквивалентная электропроводность водного раствора слабой одноосновной кислоты при 25°С равна 16,0 См см² моль^1 при концентрации 1,010^-2 моль/л и 48,4 См см² моль^1 при концентрации 1,010^-3 моль/л. Рассчитайте эквивалентную электропроводность раствора при бесконечном разбавлении и константу диссоциации кислоты.
    
39. Константа диссоциации гидроксида аммония равна 1,7910^-5. Рассчитайте концентрацию NH₄OH, при которой степень диссоциации равна 0,01, и эквивалентную электропроводность раствора при этой концентрации.
    
40. Константа диссоциации масляной кислоты C₃H₇COOH равна 1,7410^-5. Эквивалентная электропроводность раствора при разведении 1024 л/моль равна 41,3 См см² моль^1. Рассчитайте степень диссоциации кислоты и концентрацию ионов водорода в этом растворе, а также эквивалентную электропроводность раствора при бесконечном разведении.
    
41. Эквивалентная электропроводность раствора гидроксида этиламмония C₂H₅NH₃OH при бесконечном разведении равна 232,6 См см² моль^1. Рассчитайте константу диссоциации гидроксида этиламмония раствора, степень диссоциации и концентрацию ионов гидроксила в растворе при разведении 16 л/моль, если удельная электропроводность раствора при данном разведении равна 1,31210^-5 См см^-1.
    

Лабораторная работа 2

Кондуктометрическое титрование


Краткая теория:

Измерение электропроводности растворов называют кондуктометрией или кондуктометрическим титрованием. Кондуктометрию используют не только для определения степени и константы диссоциации электролитов, но и для определения концентрации электролитов в растворах, их растворимости, основности кислот. Кондуктометрическое титрование применяется при исследовании мутных или окрашенных растворов, исключающих возможность применения индикаторов. Метод основан на присутствии в растворах кислот (или оснований) высокоподвижных ионов Н⁺ (или ОН^-), что обуславливает хорошую электропроводность. Аномально высокие подвижности гидроксония и гидроксила объясняются особым механизмом переноса электрического заряда этими ионами, называемым эстафетным:



При титровании происходит реакция нейтрализации, и вместо этих ионов в растворе накапливаются ионы солей, обладающие меньшей подвижностью. В тот момент, когда вся кислота (или основание) будет нейтрализована эквивалентным количеством основания (или кислоты), электропроводность раствора будет минимальной. Добавление избытка основания (или кислоты) приводит вновь к появлению высокоподвижных ионов ОН^- (или Н⁺), и электропроводность начинает резко возрастать.

Зависимость электропроводности раствора ( W) титруемого вещества от объема (V) (количества) добавленного титранта называется – кривой кондуктометрического титрования (рис.1).



а) б) в)

Рис.1. Кривые кондуктометрического титрования:

сильной кислоты (а) сильным основанием,

слабой кислоты (б) сильным основанием

смеси сильной и слабой кислот (в) сильным основанием

На кривой кондуктометрического титрования точке эквивалентности соответствует излом, и выполняется закон эквивалентных отношений:

С_к ∙V_к = C_щ ∙V_э (1.11)

где С_к и C_щ – концентрации кислоты и щелочи, V_к – объем кислоты, взятый для титрования, а V_э – эквивалентный объем щелочи, найденный из графика.


Цель работы: Определить концентрацию раствора сильной кислоты методом кондуктометрического титрования.


Оборудование:  Портативный измеритель электропроводности и температуры для стандартных измерений, штатив с бюреткой, мерный цилиндр, стакан.


Реактивы: Раствор гидроксида калия концентрации 0,05 М, раствор соляной кислоты неизвестной концентрации, дистиллированная вода.


Порядок работы:

1. Промыть стакан и электрод с ячейкой дистиллированной водой.
   
2. С помощью мерного цилиндра налить в стакан 50 мл раствора соляной кислоты неизвестной концентрации.
   
3. Опустить в стакан электрод с ячейкой и поместить стакан под слив бюретки с раствором щелочи.
   
4. Измерить электропроводность раствора соляной кислоты в стакане, результат записать в таблицу 2.
   
5. Добавить в стакан 1 мл раствора щелочи, перемешать раствор и измерить его электропроводность. Добавление по 1 мл щелочи и измерение электропроводности раствора проводить до тех пор, пока не получите 4–5 возрастающих значений электропроводности раствора. Все результаты записать в таблицу 2.
   
6. По окончании работы выключить прибор и привести в порядок рабочее место.
   

Таблица 2.

Vщ мл	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
W Ом1

7. По результатам измерений построить кривую кондуктометрического титрования  зависимость электропроводности раствора W от объема добавленной щелочи V_щ.
   

8. По графику определить точку эквивалентности V_э, опустив перпендикуляр на ось абсцисс из точки пересечения двух ветвей кривой кондуктометрического титрования.
   
9. Рассчитать концентрацию соляной кислоты по формуле:
   

С_к = C_щ (V_э / V_к),

где C_к – искомая концентрация соляной кислоты;

C_щ – концентрация щелочи (0,05 М);

V_к – объем взятого для титрования раствора кислоты (50 мл);

V_э – эквивалентный объем щелочи, найденный по графику.


Вопросы и задачи к работе 2

1. В чем заключается сущность кондуктометрии? Для каких целей используют этот метод в медико-биологических исследованиях?
   
2. Как определяют точку эквивалентности при кондуктометрическом титровании?
   
3. Когда заканчивают кондуктометрическое титрование?
   
4. Начертить кривую кондуктометрического титрования раствора пропионовой кислоты раствором щёлочи. Объяснить ход кривой и указать ионы, которые участвуют в электропроводности на всех участках этой кривой.
   
5. Изобразить на графике зависимость электропроводности раствора едкого натра при титровании его раствором азотной кислоты. Указать ионы, которые участвуют в электропроводности на всех участках этой зависимости.
   
6. Начертить кривую кондуктометрического титрования раствора соляной и уксусной кислот раствором щелочи. Объяснить ход кривой.
   
7. Начертить кривую кондуктометрического титрования раствора соляной кислоты раствором щёлочи. Указать ионы, которые участвуют в электропроводности на всех участках этой кривой.
   
8. Начертить кривую кондуктометрического титрования смеси NH₃ и KOH раствором сильной кислоты.
   
9. Почему электропроводность сильных кислот и щелочей значительно выше, чем электропроводность их солей?
   
10. Чем объясняется аномально высокая подвижность ионов Н⁺ и ОН^?
    
11. Записать закон эквивалентных соотношений.
    
12. В чем заключается преимущество кондуктометрического титрования по сравнению с титрованием с индикаторами?
    
13. Какой из растворов электролитов (принять, что их концентрации одинаковые) имеет наибольшую электропроводность: KBr, HBr, H₂CO₃, KOH? Ответ аргументировать.