Determinarea constantei de disociere (kd) si a gradului de disociere (a) din masuratori de conductivitati

DETERMINAREA CONSTANTEI DE DISOCIERE (K_D) SI A GRADULUI DE DISOCIERE (a) DIN MASURATORI DE CONDUCTIVITATI

Principiul lucrarii

Proprietatea unei substante de a conduce curentul electric poate fi caracterizata prin conductivitatea sa electrica.

Electrolitii sunt substante care prin dizolvare intr-un solvent polar se desfac in particule cu sarcini electrice pozitive sau negative, numite ioni. Trecerea electrolitilor sub forma de ioni se numeste disociere electrolitica. Procesul de disociere electrolitica este un proces de echilibru, care se realizeaza intre ioni si molecule nedisociate ale electrolitului. Constanta de echilibru a electrolitului, in disocierea electrolitica se numeste constanta de disociere si se noteaza K_d. Electrolitii pot fi: acizi, baze sau saruri.

Procesul de disociere in cazul electrolitilor tari este:

disocierea unui acid tare:

H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄ ^2- (1)

(2)

disocierea unei baze tari:

Cu(OH)₂  → Cu²⁺ + 2HO^- (3)

(4)

disocierea unei sari:

NiSO₄ → Ni²⁺ + SO₄^2- (5)

(6)

unde "C" este concentratia electrolitilor

Procesul de disociere in cazul electrolitilor slabi este:

CH₃COOH → H⁺ + CH₃COO^- (7)

(8)

Gradul de disociere al unui electrolit este notat cu a si reprezinta raportul dintre numarul de molecule disociate si numarul total de molecule. Constanta de disociere si gradul de disociere constituie criteriul de clasificare a electrolitilor.

Electrolitii tari au K_d > 1 si a = 1, ceea ce inseamna ca ei sunt complet disociati in solutii de concentratii cuprinse intre 0,1M si 0,001M. Electrolitii slabi au K_d < 10^-2 chiar in solutii de concentratii mai mici de 0,01M, iar a < 0,5.

O alta marime ce caracterizeaza solutiile de electrolit este pH, reprezentand logaritmul cu semn schimbat din concentratia ionilor de H si poate lua valori intre 0-14.

Electrolitii cu pH cuprins intre [0-7) sunt acizi, cele cu pH 7 sunt neutri, iar cele cu pH curins intre (7-14] sunt baze.

Pentru orice electrolit: , unde

Datorita faptului ca solutiile de electroliti contin ioni pozitivi (cationi) si ioni negativi (anioni), ele conduc curentul electric. Aceste solutii de electrolit sunt conductori ionici (de ordin II) si la fel ca in cazul conductorilor de ordin I li se poate aplica legea lui Ohm.

E = R I (9)

unde: E este tensiunea exprimata in volti (V);

R este rezistenta exprimata in Ohm (W

I este intensitatea curentului exprimata in amperi (A).

Rezistenta conductorului de ordin I este data de relatia :

R = r (10)

unde : r este rezistivitatea;

l este lungimea conductorului sau distanta dintre electrozi in cm;

S este sectiunea conductorului.

Din relatia (2.13.10) se obtine :

r = R (11)

Marimea inversa rezistentei (R) se numeste conductanta (G) si se exprima in W sau Siemens (S).

Marimea inversa rezistivitatii (r) se numeste conductivitate (l) si se exprima in W cm^-1 sau Scm^-1.

l r (12)

Pentru solutiile de electrolit, conductivitatea electrica (l) reprezinta conductanta (G) unei coloane de solutie de 1cm inaltime si o sectiune de 1cm², cu alte cuvinte conductivitatea electrica a unei solutii de electrolit reprezinta conductanta 1cm³ de solutie ce se gaseste intre electrozii inerti avand aceeasi suprafata de 1cm² si aflati la distanta de 1cm.   

Pentru a putea compara din punct de vedere al conductivitatii electrice solutii de electroliti diferiti se defineste conductivitatea echivalenta (L), care reprezinta conductivitatea l raportata la un echivalent gram de electrolit dizolvat intr-un volum V (cm³) de solutie.

Pentru a masura conductivitatile electrice ale solutiilor de electrolit se folosesc aparate numite conductometre. Conductometrul este legat de o celula de conductivitate, formata dintr-un vas de sticla, in interiorul caruia sunt montati in pozitie fixa doi electrozi din metal inert (Pt), avand suprafete egale.

Celulele de conductivitate sunt caracterizate de o marime numita constanta celulei (K).

K = l / S (13)

unde: l reprezinta distanta dintre electrozi si suprafata lor (S)

L l V  (14)

unde: V = 1 / C si reprezinta dilutia

L l /C (15)

unde: V este volumul exprimat in cm³ de solutie ce contine un echivalent chimic din electrolitul considerat, iar C este concentratia normala a lui.

V = 1000 / C (16)

L l / C (W cm²/echiv.) (Scm² / echiv.) (17)

Conductivitatea echivalenta (L) creste cu dilutia. La dilutii mari, L ramane constanta si se numeste conductivitate echivalenta limita (L ) sau (L^o

Pentru determinarea lui L se determina L la diferite concentratii alei unei solutii de electrolit si se extrapoleaza la C = 0.

Gradul de disociere a) se exprima prin raportul dintre L si L

a L L (18)

Legea dilutiei lui Ostwald exprima dependenta K_d de a

K_d = a C / (1- a (19)

Inlocuind pe a din relatia (18) in relatia (19) se obtine :

K_d = L C / L L L (20)

Scopul lucrarii: se va urmari variatia conductivitatii cu concentratia pentru un electrolit slab (CH₃COOH) si se va calcula gradul de disociere (a) si constanta de disociere (K_d).

Aparatura si substante:

Aparatura: conductometru CONSORT C-830, celula de conductivitate legata de conductometru cu constanta K = 0,9

Substante: solutii CH₃COOH de concentratii diferite

Modul de lucru:

in 4 pahare Berzelius se gasesc solutii de CH₃COOH de concentratii 0,001N, 0,01N, 0,1N si 1N, iar in altul se gaseste o solutie de 0,01N KCl, folosita pentru calibrarea conductometrului;

- celula de conductivitate se spala cu apa distilata de 2 - 3 ori, dupa care este introdusa in paharul cu KCl 0,01N, unde va sta 10 ÷ 15 minute;

- se porneste conductometrul, apasand butonul « ON/OFF » si apoi butonul « MODE », pana apare scala de citire a conductantei (l) in mS/cm;

- Se introduce celula de conductivitate, pe rand, in paharele cu solutii de CH₃COOH de concentratii 0,001N, 0,01N, 0,1N si 1N, in ordinea cresterii concentratiei.

- se deconecteaza electrodul de conductivitate de la bornele aparatului si se conecteaza electrodul de pH, efectuandu-se citiri succesive ale pH-ului pentru fiecare solutie de CH₃COOH in parte.

Calcule si rezultate

Se masoara conductanta l si apoi se calculeaza, L a si K_d, stiind ca L = 380 Scm². Valorile obtinute se vor trece in tabelul de mai jos :

Tabelul 1

Tema:

O celula de conductivitate are urmatoarele caracteristici: suprafata electrozilor

S = 2 cm², iar distanta dintre cei doi electrozi l = 2,5 cm. Concentratia solutiei din celula fiind 1N, iar rezistenta ei R = 50 W, sa se calculeze conductivitatea, conductivitatea echivalenta si gradul de ionizare al electrolitului. Se cunoaste L W cm².

Rezistenta unei solutii ce contine 0,1echiv.g KCl la 1000 cm³ solutie, la 25 ^oC este

R₁ = 3468,9 W; conductivatatea acestei solutii este l = 1,285 x10^-2 W cm^-1. O solutie 0,1N dintr-o substanta oarecare, in aceeasi celula de conductibilitate are rezistenta

R₂ = 4573,4 W. Sa se calculeze conductivitatea echivalenta a acestei solutii.

Cunoscand conductivitatea echivalenta limita L W cm² si a = 0,99 pentru o solutie de KCl, sa se calculeze concentratia acestei solutii.

Se da l W cm^-1.

Rezistenta unei celule de conductivitate cu solutie de KCl, determinata experimental este R = 100 W. Stiind ca pentru solutia de KCl 0,02N, l W cm^-1, sa se calculeze constanta celulei si conductivitatea echivalenta a solutiei.

Sa se calculeze pH-ul pentru: (a) 0,1 M NH₄Cl (aq); (b) 0,1 M CH₃COOH(aq);

c) 0.25 M CH₃COOH

Calculati pH-ul unei solutii de acid acetic de concentratie 0,1 M, cunoscand valoarea constantei de disociere k_d =1,8 x 10^-5_. Calculati pH-ul unei solutii de amoniac 0,1 N, cunoscand valoarea constantei de bazicitate k_b =1,17 x 10^-5_.