Электропроводность электролитов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов

Кафедра физической и коллоидной химии

КУРСОВАЯ РАБОТА

НА ТЕМУ:

Электропроводность электролитов

Выполнил: ст. гр. ПЭ-31

Спирин М.Н.

Проверил: Лопанов А.Н.

БЕЛГОРОД 2001

Содержание:

Введени.3

1.    Электропроводность электролитов..4

1.1. дельная и молярная электропроводностиЕЕ.ЕЕ.Е..ЕЕ..4

1.2. Эквивалентная электропроводность.7

2. Подвижность ионов...ЕЕ9

2.1. Зависимость подвижности ионов от температуры....11

2.2. Зависимость подвижности ионов от

кристаллохимических радиусов..12

3. Аномальная подвижность ионов гидроксония

и гидроксила.14

4. Числа переноса.16

5. Закон разбавления Оствальда..19

6. Электрофоретический и релаксационный эффекты

в электролитах, их влияние на электрическую проводимостьЕЕ22

7. Методы измерения электропроводности электролитов..Е.25

Заключени..27

Список используемой литературы28

Введение

Электролиты (от электро и греч. lytos - разлагаемый, растворимый), жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока. В зком смысле электролиты называются вещества, растворы которых проводят электрический ток ионами, образующимися в результате электролитической диссоциации. Электролиты в растворах подразделяют на сильные и слабые. Сильные электролиты практически полностью диссоциированы на ионы в разбавленных растворах. К ним относятся многие неорганические соли и некоторые неорганические кислоты и основания в водных растворах, также в растворителях, обладающих высокой диссоциирующей способностью (спирты, амиды и др.). Молекулы слабых электролитов в растворах лишь частично диссоциированы на ионы, которые находятся в динамическом равновесии с недиссоциированными молекулами. К слабым электролитам относится большинство органических кислот и многие органические основания в водных и неводных растворах. Деление электролитов на сильные и слабые в некоторой степени словно, т. к. оно отражает не свойства самих электролитов, их состояние в растворе. Последнее зависит от концентрации, природы растворителя, температуры, давления и др.

По количеству ионов, на которые диссоциирует в растворе одна молекула, различают бинарные, или одно-одновалентные электролиты (обозначаются 1-1 электролит, например КС1), одно-двухвалентные электролиты (обозначаются 1-2 электролит, например CaCl₂) и т. д. Электролиты типа 1-1, 2-2, 3-3 и т. п. называются симметричными, типа 1-2, 1-3 и т. п. - несимметричными.

Свойства разбавленных растворов слабых электролитов довлетворительно описываются классической теорией электролитической диссоциации. Для не слишком разбавленных растворов слабых электролитов, также для растворов сильных электролитов эта теория неприменима, поскольку они являются сложными системами, состоящими из ионов, недиссоциированных молекул или ионных пар, также более крупных агрегатов. Свойства таких растворов определяются характером взаимодействий ион-ион, ион-растворитель, также изменением свойств и структуры растворителя под влиянием растворённых частиц. Современные статистические теории сильных электролитов довлетворительно описывают свойства лишь очень разбавленных (<0,1 моль/л) растворов.

1. Электропроводность электролитов.

1.1.Удельная и молярная электропроводности электролитов.

Электрическая проводимость растворов электролитов, т.е. способность их проводить электрический ток, зависит от природы электролита и растворителя, концентрации, температуры и некоторых других факторов. Различают дельную и молярную электрическую проводимости.

Удельная электрическая проводимость раствора электролита x - это элекнтрическая проводимость объема раствора, заключенного между двумя паралнлельными электродами, имеющими площадь по одному квадратному метру и расположенными на расстоянии одного метра друг от друга.

Удельная электрическая проводимость является величиной, обратной дельному сопротивлению ρ:

EQ x = \F(l;ρ) (1)

Удельное сопротивление определяется по равнению

EQ R = ρ \F(l;s)а(2)

где R Ч общее сопротивление проводника. Ом; l - длина проводника, м; s Ч поперечное сечение проводника, м². Из равнения (2) имеем:

ρ=Rs/l. (3)

Полученное выражение показывает, что размерность, т. е. единица дельного сопротивления, выражается величиной [ρ]=0м м.

Единица дельной электрической проводимости, т. е. размерность ее, выражается обратной величиной x=1/(0м м) = Oм^-lХм^-l = Cм м^-1.

Повышение температуры на 1 К увеличивает дельную электрическую проводимость примерно на 2 - 2,5%. Это объясняется понижением вязкости раствора и меньшением гидратации ионов, для растворов слабых электронлитов величением их степени диссоциации.

Зависимость дельной электрической проводимости разбавленных раствонров от температуры описывается эмпирическим равнением

x_T = x₂₉₈ [1 + α (T - 298) +β (Т- 298)²];

(4)

β = 0,0163 (α - 0,0174),

где x₂₉₈ - дельная электрическая проводимость при 298 К; α и β - темнпературные коэффициенты электрической проводимости. Коэффициенты α и β зависят от природы электролита: для сильных кислот α = 0,0164, для сильных оснований α = 0,0190, для солей α = 0,0220.

В растворах слабых электролитов диссоциация молекул электролита на ионы величивает объем раствора. Поэтому повышение давления в соответствии с принципом смещения подвижного равновесия Ле Шателье - Брауна меньшает степень диссоциации электролита и, следовательно, электрическую проводимость. Заметное влияние на электрическую проводимость раствора слабого электролита оказывает только давление порядка сотен и тысяч атмонсфер. Например, повышение давления до 2 атм меньшает x для уксусной кислоты на 40%.

При изучении электрической проводимости растворов целесообразно пользоваться молярной электрической проводимостью Λ, которая равна электрической проводимости объема раствора электролита, содержащего 1 г/моль растворенного вещества и находящегося между двумя параллельнными электродами, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга. Для слабых электролитов изменение молярной электрической проводимости от концентрации раствора связано в основном со степенью диссоциации и для сильных электролитов - с межионным взаимодействием.

Удельная и молярная электрические проводимости связаны между собой соотношением:

Λ = xV_м = x/c_м (5)

где V_м Ч число кубометров раствора, содержащего 1 г/моль электролита; С_м Ч концентрация электролита, выраженная в моль/м³. Для практических расчетов можно использовать также размерности в производных единицах СИ: [χ]=См см^-1; [Λ] = См см² Хмоль^-1; [с] = моль/л (моль/дм³). При этом вместо равнения (5) получаем:

EQ Λ = \F(1x;c) (6)

При вычислении молярной электрической проводимости нужно казывать формульную единицу, для которой она вычислена. Так, например, при 298 К в водном растворе при предельном разбавлении A(MgCl₂)=258 10⁴ См м² Х моль^-1, но Λ ( EQ \F(1;2) MgCl₂) = 129 Х 10⁴ См Х м² моль^-1.

Молярная электрическая проводимость с меньшением концентрации растнвора величивается и при с → 0 стремится к некоторому предельному макнсимальному значению Λ_∞, которое называется молярной электрической пронводимостью при предельном (бесконечном) разбавлении. Например, для прендельно разбавленных растворов НС1, КС1 и NH₄OH значения Λ_∞, при 298 К соответственно равны 426 10⁴; 149,8 10⁴ и 271,4 10⁴ См м² моль^-1.

Зависимость молярной электрической проводимости от температуры можнно представить равнением:

Λ_Т = Λ₂₉₈ [1+α (T-298)], (7)

где Λ_Т и Λ₂₉₈а - молярные электрические проводимости при температуре Т = 298 К; α Ч температурный коэффициент электрической проводимости. равнение (7) справедливо для зкого интервала температур. Логарифмируя равнение (6), получаем:

EQ ln Λ = ln \F(1x;c) + ln x (8)

Беря производную по температуре от равнения (8), находим:

EQ \F(d ln Λ;dT)а = \F(d ln x;dT) = α, или EQ \F(1 ln Λ;Λ dT)а = \F(1 d x;x dT) = α(9)

Из равнения (9) следует, что температурные коэффициенты дельной и молярной электрической проводимости одинаковы.

Рассмотрим зависимость молярной электрической проводимости раствора бинарного электролита от скорости движения ионов. Пусть электрический ток проходит через раствор бинарного электролита, помещенный в стеклянную трубку с поперечным сечением s м², причем расстояние между электродами равно l м и разность потенциалов между ними равна Е В. Обозначим через u'₊ и u'_- скорости движения катионов и анионов, м/с, через с_м концентрацию раствора электролита, г/моль/м³. Если степень диссоциации электролита в данном растворе равна α, то концентрации катионов и анионов равны αс_м г/моль/м³. Подсчитаем количество электричества, которое переносится через поперечное сечение трубки за 1 с. Катионов за это время пройдет через сечение u'₊sαc_м аг/моль и они перенесут u'₊sαc_мF Кл электричества, так как г/моль переносит количество электричества, равное числу Фарадея F. Анионы в обнратном направлении перенесут u'_-sαc_мF Кл электричества. Сила тока I, т. е. общее количество электричества, проходящее через данное поперечное сечение раствора в 1 с, равна сумме количеств электричества, переносимого ионами в обоих направлениях:

I = (u'₊ + u'_-)sαc_мF u'₊ = u₊ (10)

Скорость движения ионов u'₊ и u'_- прямо пропорциональна напряженности поля E/l:

u'₊ = u₊ аEQ \F(Е;l)и u'_- = u_- EQ \F(Е;l)(11)

где u₊ и u_-а - абсолютные скорости ионов.

абсолютной скоростью движения иона называется его скорость при единичном градиенте потенциала в 1 Ва м^-1; ее размерность [u_i] = Ва м² с^-1

Подставляя значения u'₊ = u' _- из равнения (11) в (10), получаем

I = αF(u₊ + u_-)аEQ \F(Еc_мs;l). (12)

С другой стороны, сопротивление R можно выразить через Λ. учитывая, что из (11) ρ = 1/ха и из (5) х = с_м Λ, получаем из (2) выражение R=l/(хs) = l/(c_мΛs). Из закона Ома

I = EQ \F(Е;R)а= а Λ EQ \F(Еc_мs;l). (13)

Приравнивая правые части уравнений (12) и (13) и решая равенство относительно Λ, получаем

Λ= αF(u₊ + u_-) (14)

Для сильных электролитов α=1 и

Λ= F(u₊ + u_-) (15)

Произведения

Fu₊=λ₊ и Fu_-=λ_- (16)

Называются подвижностями ионов; их размерность [λ_и] = См м моль ^-1. Например, в водном растворе при 298 К подвижности катионов К ⁺, Ag⁺ и EQ \F(1;2) Mg²⁺ равны 73,5 10⁴; 61,9 10⁴ и 53,0 10⁴ См м² моль^-1 и подвижности анионов С1^-1, EQ \F(1;2) SO₄^2- и СН₃СОО^- - 76,3 10⁴; 80,0 10⁴ и 40,9 10⁴ См м² моль^-1 соответственно.

Вводя значения λ₊ и λ_- в (14) и (15), получаем для слабых электролитов:

Λ= α(λ₊ + λ_-) (17)

и для сильных электролитов

Λ= λ₊ + λ_- (18)

Для предельно разбавленного раствора α = 1, поэтому

Λ_∞ = λ EQ \O(₊;^∞) + λ EQ \O(_-;^∞) (19)

где λ EQ \O(₊;^∞) и λ EQ \O(₊;^∞) - подвижности ионов при предельном разведении. равнение (19), справедливое как для сильных, так и для слабых электролитов, называется законом Кольрауша, согласно которому молярная электрическая проводимость при предельном разведении равна сумме подвижностей ионов при предельном разведении. Из уравнения (19) и (16) получаем:

Λ_∞ = F(u EQ \O(₊;^∞) + uEQ \O(_-;^∞) ) (20)

где F - постоянная Фарадея; u EQ \O(₊;^∞) и uEQ \O(_-;^∞) - абсолютные скорости движения ионов при предельном разведении.

/h3>

1.2. Эквивалентная электропроводность

Эквивалентная электропроводность λ [в см²/(г-экв Ом) вычиснляется из соотношения:

EQ λ = \F(1x;c) (21)

где с - эквивалентная концентрация, г-экв/л.

Заключение

Электролиты чрезвычайно важны в науке и технике. Все жидкие системы в живых организмах содержат электролит. Важный класс электролитов - полиэлектролиты. Электролиты являются средой для проведения многих химических синтезов и процессов электрохимических производств. При этом всё большую роль играют неводные растворы электролиты. Изучение свойств растворов электролитов важно для создания новых химических источников тока и совершенствования технологических процессов разделения веществ - экстракции из растворов и ионного обмена.

Список используемой литературы:

1.     Курс физической химии, т. II, под ред. чл.-корр. АНпроф. Я.И. Герасимова. Издание 2, испр., М. - Химия, 1973. - 624 стр.

2.     Лопанов А.Н. Физическая химия: учебно-практическое пособие. - Белгород: изд-во БеГТАСМ, 2001. - 134 стр.

3.     Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: учеб. для хим. спец. вузов / Под ред. А.Г. Стромберга. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Высшая школа, 1. - 527 стр.: ил.