Dysocjacja elektrolityczna, przewodność.doc

I.                     Wstęp teoretyczny

Przewodnictwo elektryczne jest to zjawisko przepływu ładunków elektrycznych pod wpływem pola elektrycznego. W cieczach mamy do czynienia z tzw. Jonowym przewodzeniem prądu – w porównaniu z ciałami stałymi, charakteryzujących się tzw. przewodzeniem elektronowym.

Przewodność elektryczna jest to zdolność roztworu wodnego (elektrolitu) do przewodzenia prądu, w wyniku ruchu jonów. Im większe stężenie jonów, tym większa jest przewodność.

Michael Faraday zaobserwował, iż prąd elektryczny, gdy płynie przez wodne roztwory soli, kwasów oraz zasad zachowuje się zupełnie inaczej aniżeli przepływają przez ciała stałe. O ile mianowicie pod wpływem prądu w ciałach stałych nie zachodzą żadne chemiczne zmiany – o tyle w roztworach wodnych ww. związków zachodzą pewne reakcje chemiczne nazywane rozkładem.

Przewodnictwo elektryczne mierzymy przy pomocy konduktometrów. Są to omomierze o specjalnej konstrukcji, gdzie opór mierzony jest pomiędzy platynowymi elektrodami znajdującymi się w naczynku pomiarowym. W konduktometrach zmierzony opór przeliczany jest automatycznie na przewodnictwo w simensach. Ze względu na możliwość reakcji elektrolizy zakłócającej pomiar, w konduktometrach do pomiaru stosuje się prąd przemienny o dużej częstotliwości. Zmierzone przewodnictwo mówi nam bardzo niewiele o właściwościach substancji rozpuszczonej i badanego roztworu.

W 1887 roku szwedzki chemik Svante Arrhenius wysunął przypuszczenie, że niektóre związki chemiczne podczas rozpuszczania w wodzie ulegają rozpadowi na kationy i aniony w wyniku oddziaływań między substancją rozpuszczoną a rozpuszczalnikiem. Zjawisko to, potwierdzone późniejszymi badaniami, nosi nazwę dysocjacji elektrolitycznej. Wykazał, że substancje można podzielić na dwie grupy:

·         Roztwory wodne przewodzące prąd elektryczny – elektrolity

-        Mocne (ulegają całkowitej albo prawie całkowitej dysocjacji) – substancje o budowie jonowej – większość soli oraz wodorotlenki litowców i berylowców (z wyjątkiem Be(OH)2 i Mg(OH)2); H2SO4 –I stopień, HNO3, HCl, HClO4.. Jeżeli w badanym roztworze występuje dużo jonów, a mało cząstek lub zupełnie ich brak, mówimy że badany elektrolit jest mocny.  Ich stopień dysocjacji wynosi 1 lub jest bliski jedności.

-        Słabe (nie ulegają całkowitej dysocjacji) – kwasy organiczne, amoniak.  Jeżeli w stanie równowagi liczba cząsteczek niezdysocjowanych znacznie przekracza liczbę cząsteczek zdysocjowanych, czyli równowaga jest przesunięta w lewo, elektrolit taki nazywamy słabo zdysocjowanym.

·         Roztwory wodne nie przewodzące prądu elektrycznego – nieelektrolity – związki organiczne (z wyjątkiem kwasów karboksylowych i ich soli), obojętne tlenki i obojętne wodorki

               Teorię tę można ująć ogólnie w czterech punktach:

1.       Elektrolity podczas rozpuszczania się w  wodzie rozpadają się na fragmenty naładowane elektrycznie – ulegają dysocjacji elektrolitycznej (jonowej). Jony dodatnie to kationy, a ujemnie to aniony.

2.       Suma ładunków elektrycznych kationów i anionów jest zawsze równa zero.

3.       Nie elektrolity nie ulegają dysocjacji elektrolitycznej

4.       Właściwości chemiczne i fizyczne jonów różnią się zupełnie od właściwości obojętnych atomów lub cząstek. Z tego względu obecność jonów w roztworach nadaje im charakterystyczne cechy chemiczne i fizyczne.

                       Przykłady dysocjacji elektrolitycznej kwasów, zasad i soli:

NaCl = Na+ + Cl-

Ca(HCO3)2 = Ca2+ + 2HCO3-

HNO3 = H+ + NO3-

H2SO4 = H+ + HSO4-

HSO4 = H+ + SO42-

Kwasy dwu- i wielo- protonowe dysocjują stopniowo.

NaOH = H+ + OH-

Mg(OH)2 = Mg2+ + 2OH-

Zasady wielohydroksylowe analogicznie do kwasów wieloprotonowych dysocjują stopniowo.

Elektrolity które reagują z kwasami i zasadami to elektrolity amfoteryczne.

Mechanizm procesu dysocjacji polega na otoczeniu dipolowej cząsteczki AB przez kilka cząsteczek wody (lub innego rozpuszczalnika polarnego), które również są polarne i rozrywają wiązanie A-B. Przenoszenie prądu przez roztwory elektrolitów polega na tym, że jony wędrując w polu elektrycznym, przenoszą ze sobą ładunki elektryczne. Jony naładowane dodatnio wędrują do elektrody połączonej z biegunem ujemnym (katoda). Jony naładowane ładunkiem ujemnym wędrują do anody, czyli elektrody połączonej z biegunem dodatnim i noszą nazwę anionów.

Dysocjację elektrolityczną  substancji użytych w ćwiczeniu przedstawiliśmy w poniższej tabeli.

Przygotowując się do dokładnego wykonania tego ćwiczenia zapoznałyśmy się także z pojęciem stopnia dysocjacji.  Wielkość ta określa jaka część elektrolitu uległa dysocjacji elektrolitycznej.

Zależy on od następujących czynników:

-        Rodzaju elektrolitu

-        stężenia roztworu ( wzrasta w miarę rozcieńczenia)

-        temperatury ( wzrasta w miarę wzrostu temperatury)

-        obecności innych substancji w roztworze.

Podczas dysocjacji między zdysocjowanymi a niezdysocjowanymi składnikami elektrolitu wytwarza się stan równowagi chemicznej podlegający prawu działania mas. Stała dysocjacji to inaczej stała równowagi procesu dysocjacji, będąca równocześnie miarą mocy kwasów. Wyrażona jest stosunkiem iloczynu stężeń jonów powstałych w procesie dysocjacji do stężenia cząsteczek niezdysocjowanych. Stała dysocjacji w odróżnieniu od stopnia dysocjacji nie zależy od stężenia i jest parametrem charakterystycznym dla danego elektrolitu.

II.                   Przebieg ćwiczenia

Na stanowisku pracy miałyśmy dostępne przyrządy i odczynniki:

-        Konduktometr z instrukcją obsługi

-        Zlewki

-        Tryskawka

-        Bibuła

-        Woda destylowana

-        Woda wodociągowa

-        5% roztwór cukru

-        Roztwory HCl, Ch3COOH, NaOH, NH4OH, NaCl o stężeniu 0,1 mol/dm3

Po zapoznaniu się z instrukcją obsługi konduktometru przystąpiłyśmy do ćwiczenia:

1. Wlałyśmy do zlewki ok. 2/3 objętości wody destylowanej
2. Zanurzyłyśmy elektrodę konduktometru, wybrałyśmy wartość 199,9mS i odczytałyśmy przewodność elektryczną wody
3. Wlałyśmy do kolejnej zlewki wody wodociągowej
4. Zanurzyłyśmy elektrodę konduktometru, wybrałyśmy wartość 19,99 mS i odczytałyśmy przewodność elektryczną
5. Wlałyśmy do następnej zlewki roztwór cukru
6. Zanurzyłyśmy elektrodę w roztworze, wybrałyśmy wartość 1,999 mS i odczytałyśmy przewodność elektryczną
7. Roztwór cukru zlałyśmy do butli, a zlewkę przepłukałyśmy dokładnie wodą destylowaną
8. Osuszyłyśmy elektrodę bibułą
9. Podobnie jak z roztworem cukru postąpiłyśmy z pozostałymi roztworami

III.                 Wyniki badań przewodności elektrycznej cieczy