Работа 16

С использованием лабораторного комплекса (УЛК-Химия)

Определение константы диссоциации

слабой кислоты

Работа 16

Определение константы диссоциации

слабой кислоты

Цель работы: определение степени и константы диссоциации слабой органической кислоты при разных концентрациях.

Приборы и реактивы:

1. Учебно-лабораторный комплекс «Химия» в следующей комплектации:

– центральный контроллер;

– модуль «Электрохимия» в комплекте с двумя серебряными электродами для измерения электропроводности и одним термодатчиком;

– стаканчик на 50 см³;

2. Растворы уксусной кислоты концентрацией 0,1; 0,01; 0,001; 0,0001 М, дистиллированная вода.

Теоретическая часть

Согласно теории Аррениуса, электролиты в водном растворе диссоциируют на заряженные частицы – ионы, которые и являются переносчиками электричества. Не все электролиты диссоциируют в одинаковой степени: одни – сильные электролиты, диссоциируют в растворе полностью; другие – слабые электролиты – лишь частично. В последнем случае доля распавшихся молекул, называемая степенью диссоциации (), зависит от концентрации электролита и температуры.

В растворе слабого электролита между недиссоциированными молекулами и ионами устанавливается равновесие

K_nA_m nK^m++mA^n-.

Для бинарного электролита:

КАК⁺ + А^-,

.

Константа равновесия процесса электролитической диссоциации называется константой диссоциации (К_д).

Положим, что степень диссоциации равна . Если концентрация кислоты в растворе равна с (моль/л), то концентрации катиона и анионаравныс, а концентрация недиссоциированной части (1–)с. Поэтому

, (1)

Вычисленная практическая константа К_д зависит от концентрации. Независимой от концентрации является термодинамическая константа диссоциации, выраженная через активность ионов и молекул:

, (1^/)

где– активность ионов К⁺, – активность ионов А^–, ,– коэффициенты активности соответствующих ионов,с – концентрация электролита.

Ионы в растворе электролита находятся в непрерывном беспорядочном движении. При наложении внешнего электрического поля на хаотичное движение ионов накладывается ориентированное поступательное движение к поверхности электродов: катионов – к отрицательному, а анионов – к положительному электроду. В результате возникает электрический ток.

Величина, характеризующая способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля, называется электрической проводимостью.

Электрическая проводимость (G) – величина, обратная электрическому сопротивлению проводника (R). Измеряется в сименсах (См): См = Ом^–1.

Так как

то

, (2)

где  – удельное сопротивление;  – удельная электрическая проводимость; S – площадь сечения проводника; l – длина проводника.

Электрическая проводимость в растворах электролита зависит от числа ионов в объеме раствора между электродами и скорости их движения.

Для оценки проводимости растворов и влияния на нее различных факторов применяют две величины: удельную () и молярную () электрическую проводимость.

Удельной электрической проводимостью () называют электропроводность раствора, находящегося между параллельными электродами площадью 1 см², расположенными на расстоянии 1 см. Удельная электрическая проводимость измеряется в Ом^-1см^–1 или Смсм^–1.

Молярная электрическая проводимость – мера электрической проводимости всех ионов, образующихся при диссоциации 1 моль электролита при данной концентрации.

Молярная электрическая проводимость равна электрической проводимости такого объема (V, см³) раствора, в котором содержится 1 моль растворенного вещества, причем электроды находятся на расстоянии 1 см друг от друга.

Удельная и молярная электрические проводимости связаны соотношением

, (3)

где С – концентрация, мольл;

 – молярная электрическая проводимость, (Ом^-1см²моль^–1) или Смсм²моль^–1;

 – удельная электрическая проводимость, (Ом^-1см^-1) или Смсм^-1.

Поскольку электрическая проводимость объема раствора электролита определяется количеством находящихся в нем ионов, переносящих электричество, а также скоростью их миграции, для молярной проводимости справедливо соотношение

, (4)

где U⁺, U^- – абсолютные скорости движения ионов (т. е. скорости их передвижения в поле с напряженностью 1 В·см^–1);  – степень диссоциации электролита; F – число Фарадея, т. е. количество электричества, которое несет 1 моль однозарядных катионов или анионов.

где N_A = 610²³ – число Авогадро,

е – 1,610^–19 Кл – заряд электрона.

При разбавлении раствора молярная электрическая проводимость как сильных, так и слабых электролитов возрастает: для слабых электролитов – вследствие увеличения степени диссоциации (), для сильных – в результате повышения абсолютной скорости движения ионов .

Предельное значение _, отвечающее молярной электрической проводимости гипотетического бесконечно разбавленного раствора, характеризующегося полной диссоциацией электролита и отсутствием сил электростатического взаимодействия между ионами, в соответствии с (4) может быть выражено соотношением

, (5)

Произведения иназываются предельными молярными проводимостями, или предельными подвижностями катионов и анионов. Уравнение (5) можно записать в виде

(6)

Молярная электрическая проводимость электролита при бесконечном разбавлении () равна сумме предельных подвижностей анионов и катионов.

Соотношение (6) установлено Кольраушем и называется законом независимого движения ионов.

Предельная подвижность ионов зависит только от природы растворителя и температуры; для многих ионов эта величина экспериментально определена и приведена в справочниках.

Молярная электрическая проводимость растворов слабых электролитов меньше, чем сильных. Это связано с тем, что даже при низких концентрациях степень диссоциации слабых электролитов мала (1), следовательно, несмотря на то, что в объеме раствора, заключенного между электродами, содержится 1 моль электролита, ионов-переносчиков электрического тока в этом объеме меньше, чем в растворе сильного электролита. Повышение молярной электрической проводимости слабых электролитов при разбавлении растворов связано именно с увеличением степени диссоциации.

Из уравнений (4) и (5) следует:

(7)

где – коэффициент электрической проводимости, характеризующийся степенью торможения ионов.

Абсолютные скорости движения ионов в разбавленных растворах электролитов (U⁺, U^-) и в бесконечно разбавленных (U⁺_, U^-_) близки между собой (), поэтому

. (8)

Таким образом, степень диссоциации электролита в растворе заданной концентрации можно рассчитать, если измерить молярную электрическую проводимость этого раствора и знать _, которую можно рассчитать по формуле (5).