10. Электропроводность растворов электролитов
Электропроводность ("Каппа") раствора - величина, обратная его сопротивлению R , имеет размерность Ом -1 . Для проводника постоянного сечения
,
где - удельное сопротивление; S - площадь сечения проводника; l - длина проводника; - удельная электропроводность.
Удельной электропроводностью ("каппа") раствора называется электропроводность слоя раствора длиной 1 см, заключенного между электродами площадью 1см 2 . Она выражается в Ом -1. см -1 . В системе СИ удельная электропроводность измеряется в Ом -1. м -1 .
Эквивалентной электропроводностью ("лямбда") называется электропроводность такого объема раствора, в котором содержится 1 г-экв растворенного вещества; при условии, что электроды находятся на расстоянии 1 см друг от друга, она выражается в Ом -1. см 2. г-экв -1 .
где V = 1/C - разведение (или разбавление) раствора, т.е. объем, в котором содержится 1 г-экв растворенного вещества, а C - эквивалентная концентрация (нормальность) раствора. В системе СИ эквивалентная электропроводность выражается в Ом -1. м 2. кг-кв -1 .
Эквивалентная электропроводность растворов электролитов возрастает с ростом разбавления раствора и при бесконечном разбавлении (т.е. при бесконечно малой концентрации) достигает предельного значения 0. которое называется эквивалентной электропроводностью раствора при бесконечном разведении .
В разбавленных растворах сильных электролитов выполняется эмпирический закон Кольрауша (закон квадратного корня):
где и 0 - эквивалентная электропроводность раствора при концентрации С и при бесконечном разведении, A - константа (при данной температуре) для данного электролита и растворителя.
В растворах слабых электролитов и 0 связаны со степенью диссоциации электролита уравнением Аррениуса :
Кроме того, выполняется закон разведения Оствальда , который для бинарного электролита записывается следующим образом:
,
где K - константа диссоциации слабого электролита.
Электропроводность электролитов связана со скоростями движения ионов в растворе. Скорость движения v i [м. с -1 ] иона в растворе пропорциональна напряженности приложенного электрического поля E [В. м -1 ]:
Коэффициент пропорциональности u [м 2. с -1. В -1 ] называется абсолютной подвижностью иона.
Произведение u i F (F - постоянная Фарадея) называется подвижностью иона i [Ом -1. м 2. кг-экв -1 ]:
i = u i F .
Подвижность иона при бесконечном разбавлении называется предельной подвижностью иона и обозначается i 0 . Предельные подвижности i 0 некоторых ионов в водном растворе [Ом -1. см 2. г-экв -1 ] приведены в Таблице 10.1.
Согласно закону Кольрауша о независимой миграции ионов, эквивалентная электропроводность раствора при бесконечном разведении равна сумме предельных подвижностей катионов и анионов:
0 = 0 + + 0 - .
Доля тока, переносимая данным ионом, называется числом переноса t i иона:
,
причем по определению .
Согласно закону Стокса , предельная подвижность 0 иона с зарядом z и радиусом r в растворителе с вязкостью h описывается формулой:
где e - элементарный заряд, F - постоянная Фарадея.
Таблица 10.1
Предельные подвижности i 0 некоторых ионов в водном растворе при 25 o C [Ом -1. см 2. г-экв -1 ]
| H + | 349.8 | OH - | 198.3 |
| Li + | 36.68 | F - | 55.4 |
| Na + | 50.10 | Cl - | 76.35 |
| K + | 73.50 | Br - | 78.14 |
| Rb + | 77.81 | I - | 78.84 |
| Ag + | 61.90 | ClO 3 - | 64.6 |
| NH 4 + | 73.55 | ClO 4 - | 67.36 |
| N(CH 3) 4 + | 44.92 | BrO 3 - | 55.74 |
| 1 / 2 Mg 2+ | 53.05 | CN - | 78 |
| 1 / 2 Ca 2+ | 59.50 | NO 3 - | 71.46 |
| 1 / 2 Ba 2+ | 63.63 | CH 3 COO - | 40.90 |
| 1 / 2 Mg 2+ | 56.6 | C 6 H 5 COO - | 35.8 |
| 1 / 2 Cd 2+ | 54 | H 2 PO 4 - | 36 |
| 1 / 3 Al 3+ | 63 | 1 / 2 SO 4 2- | 80.02 |
| 1 / 3 La 3+ | 69.7 | 1 / 2 S 2 O 6 2- | 93 |
Из этого уравнения следует правило Вальдена-Писаржевского , согласно которому для любого иона или электролита:
.
Пример 10-1. Удельная электропроводность 0.135 моль. л -1 раствора пропионовой кислоты C 2 H 5 COOH равна 4.79 . 10 -2 См. м -1 . Рассчитать эквивалентную электропроводность раствора, константу диссоциации кислоты и pH раствора, если предельные подвижности H + и C 2 H 5 COO - равны 349.8 См. см 2. моль -1 и 37.2 См. см 2 моль -1. соответственно.
0 = 349.8 + 37.2 = 387.0 См. см 2. моль -1 .
= /C? 1000 = 4.79 . 10 -2 См. м -1 /0.135 моль. л -1. 1000 = 3.55 См. см 2. моль -1 .
= / 0 = 3.55/387.0 = 0.009.
= 1.15 . 10 -5
(моль. л -1).
C =1.24 . 10 -3 (моль. л -1).
pH = -lg = 2.91.
Ответ. = 3.55 См. см 2. моль -1 ; = 0.009; K = 1.15 . 10 -5 моль. л -1 ; pH = 2.91.
Пример 10-2. Удельная электропроводность насыщенного раствора BaCO 3 в воде при 18 o C равна 25.475 . 10 -4 См. м -1 . Удельная электропроводность воды 4.5 . 10 -5 См. м -1 . Подвижности ионов Ba 2+ и CO 3 2- при 18 o C равны соответственно 55 и 66 См. см 2. г-экв -1 . Рассчитать растворимость BaCO 3 в воде при 18 o C в моль. л -1. считая соль полностью диссоциированной, а подвижности ионов равными подвижностям при бесконечном разведении.
(BaCO 3) = (р-ра) - (H 2 O) = 25.475 . 10 -4 - 4.5 . 10 -5 = 25.025 . 10 -4 См. м -1 .
0 (BaCO 3) = 0 (Ba 2+) + 0 (CO 3 2-) =
55 + 66 = 121 См. см 2. г-экв -1 = 1.21 . 10 -2 См. м 2. г-экв -1 .
С = / 0 = 0.206 г-экв. м -3 = 2.06 . 10 -4 г-экв. л -1 = 1.03 . 10 -4 моль. л -1 .
Ответ. С = 1.03 . 10 -4 моль. л -1 .
Пример 10-3. Удельная электропроводность 5%-го раствора Mg(NO 3) 2 при 18 o C равна 4.38 См. м -1. а его плотность - 1.038 г. см -3 . Рассчитать эквивалентную электропроводность раствора и кажущуюся степень диссоциации соли в растворе. Подвижности ионов Mg 2+ и NO 3 - при 18 o C равны соответственно 44.6 и 62.6 См. см 2. г-экв -1 .
0.35 моль. л -1 = 0.70 г-экв. л -1 .
= 
6.25 . 10 -3 См. м 2. г-экв -1
= 62.5 (См. см 2. г-экв -1).
0 = 44.6 + 62.6 = 107.2 (См. см 2. г-экв -1).
= / 0 = 62.5/107.2 = 0.583.
Ответ: = 62.5 См. см 2. г-экв -1. = 0.583.
10-2 . Удельная электропроводность бесконечно разбавленных растворов KCl, KNO 3 и AgNO 3 при 25 o C равна соответственно 149.9, 145.0 и 133.4 См. м 2. моль -1 . Какова удельная электропроводность бесконечно разбавленного раствора AgCl при 25 o C? (ответ)
10-3. Удельная электропроводность бесконечно разбавленных растворов соляной кислоты, хлорида натрия и ацетата натрия при 25 o C равна соответственно 425.0. 128.1 и 91.0 См. м 2 . моль -1 . Какова удельная электропроводность бесконечно разбавленного раствора уксусной кислоты при 25 o C? (ответ)
10-4 . Удельная электропроводность 4% водного раствора H 2 SO 4 при 18 o C равна 0.168 См. см -1. плотность раствора - 1.026 г. см -3 . Рассчитать эквивалентную электропроводность раствора. (ответ)
10-5. Удельная электропроводность насыщенного раствора AgCl в воде при 25 o C равна 2.28 . 10 -4 См. м -1. а удельная электропроводность воды 1.16 . 10 -4 См. м -1 . Рассчитать растворимость AgCl в воде при 25 o C в моль. л -1 . (ответ)
10-6 . Какую долю общего тока переносит ион Li + в водном растворе LiBr при 25 o C? (ответ)
10-7 . Рассчитать число переноса H + в растворе HCl с концентрацией 1 . 10 -3 моль. л -1 . Каково будет число переноса H + , если к этому раствору добавить NaCl, чтобы его концентрация была равна 1.0 моль. л -1 ? (ответ)
10-9. Рассчитать скорость движения иона Na + в водном растворе при 25 o C, если разность потенциалов 10 В приложена к электродам, находящимся на расстоянии 1 см друг от друга. Сколько времени понадобится иону, чтобы пройти расстояние от одного электрода до другого?(ответ)
10-10. Удельная электропроводность водного раствора KI равна 89.00 См. м -1. а раствора KCl той же концентрации - 186.53 См. м -1 . Удельная электропроводность раствора, содержащего обе соли, равна 98.45 См. м -1 . Рассчитать долю KCl в растворе.
10-11 . Удельная электропроводность водного раствора сильного электролита при 25 o C равна 109.9 См. см 2 . моль -1 при концентрации 6.2 . 10 -3 моль. л -1 и 106.1 См. см 2 . моль -1 при концентрации 1.5 . 10 -2 моль. л -1 . Какова удельная электропроводность раствора при бесконечном разбавлении? (ответ)
10-12 . Рассчитать радиус иона N(CH 3) 4 + по закону Стокса из его предельной подвижности в водном растворе при 25 o C. Вязкость воды при 25 o C равна 8.91? 10 -4 Па. с. Оценить предельную подвижность этого иона в глицерине, вязкость которого равна 1.49 Па. с. (ответ)
10-13 . Оценить предельную подвижность иона K + в формамиде и метилацетате, если вязкость формамида в 3.7 раз больше, а вязкость метилацетата в 2.6 раз меньше, чем вязкость воды. (ответ)
10-14 . Рассчитать удельную электропроводность 1.0 . 10 -3 M водного раствора NaCl при 25 o C, считая, что подвижности ионов при этой концентрации равны их предельным подвижностям. Через слой раствора длиной 1 см, заключенный между электродами площадью 1 см 2. пропускают ток силой 1 мА. Какое расстояние пройдут ионы Na + и Cl - за 10 минут? (ответ)
10-15. Рассчитать эффективный радиус иона Li + при 25 o C из его предельной подвижности, используя закон Стокса. Рассчитать приблизительное число молекул воды, входящих в гидратную оболочку иона Li + . Кристаллографический радиус иона Li + равен 60 пм. Вязкость воды при 25 o C равна 8.91 . 10 -4 Па. с. Собственный объем молекулы воды оценить из параметров уравнения Ван-дер-Ваальса. (ответ)
10-16. Константа диссоциации гидроксида аммония равна 1.79 . 10 -5 моль. л -1 . Рассчитать концентрацию NH 4 OH, при которой степень диссоциации равна 0.01. и эквивалентную электропроводность раствора при этой концентрации. (ответ)
10-17 . Эквивалентная электропроводность 1.59 . 10 -4 моль. л -1 раствора уксусной кислоты при 25 o C равна 12.77 См. см 2 . моль -1 . Рассчитать константу диссоциации кислоты и pH раствора. (ответ)
10-18 . Константа диссоциации масляной кислоты C 3 H 7 COOH равна 1.74 . 10 -5 моль. л -1 . Эквивалентная электропроводность раствора при разведении 1024 л. моль -1 равна 41.3 См. см 2 . моль -1 . Рассчитать степень диссоциации кислоты и концентрацию ионов водорода в этом растворе, а также эквивалентную электропроводность раствора при бесконечном разведении. ( = 0.125; = 1.22 . 10 -4 моль. л -1 ; 0 = 330.7 См. см 2 . моль -1 .) (ответ)
10-19 . Эквивалентная электропроводность раствора гидроксида этиламмония C 2 H 5 NH 3 OH при бесконечном разведении равна 232.6 См. см 2 . моль -1 . Рассчитать константу диссоциации гидроксида этиламмония, эквивалентную электропроводность раствора, степень диссоциации и концентрацию ионов гидроксила в растворе при разведении 16 л. моль -1. если удельная электропроводность раствора при данном разведении равна 1.312 . 10 -3 См. см -1 .
Свяжем электропроводность электролита со скоростью движения его ионов в электрическом поле . Для вычисления электропроводности надо подсчитать число ионов, проходящих через поперечное сечение электролитического сосуда в единицу времени. Так как электричество переносится ионами различных знаков, движущимися в противоположных направлениях, то общая сила тока складывается из количеств электричества, перенесенных катионами (I +) и анионами (I -) :
Обозначим:
u¢ - скорость движения катионов (см/с);
v¢ - скорость движения анионов (см/с);
с¢ - эквивалентная концентрация (г-экв/см 3);
q - поперечное сечение цилиндрического сосуда (см 2);
l - расстояние между электродами (см);
Е - разность потенциалов между электродами (В).
Подсчитаем количество катионов, проходящих через поперечное сечение электролита в 1 секунду. За это время через сечение пройдут все катионы, находившиеся на расстоянии не более чем u¢ см от выбранного сечения, т.е. все катионы в объеме u¢q:
Т.к. каждый г-экв ионов несет согласно закону Фарадея F =96485 к электричества, то сила тока (в А) :
I + = n + F = u¢qc + F
Аналогично для анионов:
I - = n - F = v¢qc - F
Для суммарной силы тока (с + = с - = с¢) :
I = I + + I - = (u¢ + v¢)qc¢F
Скорости движения ионов u¢ и v¢ зависят от природы ионов, напряженности электрического поля Е/l , концентрации, Т, вязкости среды и т.п. Пусть все факторы постоянны, кроме напряженности электрического поля; можно считать, что скорость ионов пропорциональна приложенной силе, т.е. напряженности поля:
u¢ = u , v¢ = v
u, v - скорости ионов в стандартных условиях, т.е. при напряженности поля, равной 1 В/см; они называются абсолютными подвижностями ионов и измеряются в см 2 /(с×В).
I = (u + v)c¢qFE/l
По закону Ома I = E/R = E×K = E×k
Отсюда k = (u + v)c¢qF/S = (u + v)c¢F (т.к. q º S)
l = ; с¢ = с/1000 ; l = k/с¢ = (u + v)F
u×F и v×F - это скорости движения ионов, выраженные в электростатических единицах; они называются подвижностями ионов :
u×F = l + , v×F = l -
Для сильных электролитов : l = l + + l -
Для слабых электролитов : с + = с×a , с - = с×a , l = (l + + l -)×a
При бесконечном разведении (j ® ¥ , a ® 1 , с + = с - = с) :
l ¥ = l о + + l о -
Как для сильных, так и для слабых электролитов. Величины l о + и l о - являются предельными подвижностями ионов . Они равны эквивалентным электропроводностям катиона и аниона при бесконечном разведении и измеряются в тех же единицах, что и l и l ¥ , т.е. в см 2 /(Ом×г-экв). Вышеприведенное уравнение является выражением закона Кольрауша : эквивалентная электропроводность при бесконечном разведении равна сумме предельных подвижностей ионов .
Т.о., для всех электролитов можно записать:
l с = a с ×l ¥ , a с = l с / l ¥
l + и l - зависят от концентрации (разведения), особенно для сильных электролитов; l о + и l о - - табличные величины. Все эти величины относятся к 1 г-экв ионов.
Подвижность является важнейшей характеристикой ионов , отражающей их специфическое участие в электропроводности электролита. В водных растворах все ионы, за исключением ионов Н 3 О + и ОН - , обладают подвижностями одного порядка; их абсолютные подвижности (u и v) равны нескольким см в час.
Эквивалентная электропроводность растворов солей выражается величинами порядка 100 - 130 см 2 /(г-экв×Ом). Ввиду исключительной подвижности иона гидроксония величины l ¥ для кислот в 3-4 раза больше, чем для солей; щелочи занимают промежуточное положение.
Движение иона можно уподобить движению макроскопического шарика в вязкой среде и применить в этом случае формулу Стокса :
где е - заряд электрона; z - число элементарных зарядов иона; r - эффективный радиус иона; h - коэффициент вязкости; E/l - напряженность поля.
Движущую силу - напряженность поля Е/l при вычислении абсолютных подвижностей принимаем равной единице. Следовательно, скорость движения ионов обратно пропорциональна их радиусу. Рассмотрим ряд Li + , Na + , K + . Так как в указанном ряду истинные радиусы ионов увеличиваются, то подвижности должны уменьшаться в той же последовательности. Однако в действительности это не так. Подвижности увеличиваются при переходе от Li + к K + почти в два раза. Из этого можно сделать заключение, что в растворе и ионной решётке ионы обладают разными радиусами. При этом чем меньше истинный (кристаллохимический) радиус иона, тем больше его эффективный радиус в электролите. Это явление можно объяснить тем, что в растворе ионы не свободны, а гидратированы. Тогда эффективный радиус движущегося в электрическом поле иона будет определяться в основном степенью его гидратации, то есть количеством связанных с ионом молекул воды.
Связь иона с молекулами растворителя ионно-дипольная, а так как напряжённость поля на поверхности иона лития гораздо больше, чем на поверхности иона калия, то степень гидратации иона лития больше степени гидратации иона калия. Согласно формуле Стокса многозарядные ионы должны обладать большей подвижностью, чем однозарядные. Однако скорости движения многозарядных ионов мало отличаются от скоростей движения однозарядных, что, очевидно, объясняется большей степенью их гидратации.
Все ткани организма пропитаны и омываются биологическими жидкостями, в которых растворены сильные и слабые электролиты. Поэтому такие биологические жидкости как кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, слезная жидкость, слюна и т. д. относятся к проводникам второго рода.
Абсолютная скорость движения ионов. В растворах электролитов сольватированные ионы находятся в беспорядочном движении. При наложении электрического поля возникает упорядоченное движение ионов к противоположно заряженным электродам.
Сравнение скоростей движения различных видов ионов производят при градиенте потенциала поля 1 В/м. Для этих условий скорость движения ионов называют абсолютной, обозначают буквой w и выражают в м2 × B–1 × c–1. Абсолютная скорость движения иона –– это расстояние в метрах, которое проходит ион за 1 с при градиенте потенциала 1В/м. Численные значения абсолютных скоростей движения ионов в данном растворителе зависят только от их природы и температуры.
Для оценки способности ионов к перемещению под действием внешнего поля пользуются также количественной характеристикой – подвижность ионов (U). Подвижность иона представляет собой произведение числа Фарадея (F = 96465 B × с × См × моль–1) на абсолютную скорость движения иона и выражается в См × м2 × моль–1:
U = F × w (1)
Значения абсолютных скоростей движения и подвижностей ионов при 250С представлены в таблице 1:
Таблица 1
Катион |
м2 × B–1 × c–1 |
См × м2 × моль–1 | Анион |
м2 × B–1 × c–1 |
См × м2 × моль–1 |
36,3 × 10–8 | 349,9 × 10–4 | OH– | 20,6 × 10–8 | 199,2 × 10–4 |
|
4,0 × 10–8 | 38,7 × 10–4 | F– | 5,7 × 10–8 | 55,4 × 10–4 |
|
5,2 × 10–8 | 50,3 × 10–4 | Cl– | 7,9 × 10–8 | 76,3 × 10–4 |
|
7,6 × 10–8 | 73,5 × 10–4 | Br– | 8,1 × 10–8 | 78,4 × 10–4 |
|
8,0 × 10–8 | 77,5 × 10–4 | I– | 8,0 × 10–8 | 76,9 × 10–4 |
|
8,0 × 10–8 | 77,5 × 10–4 | 7,4 × 10–8 | 71,5 × 10–4 |
||
7,6 × 10–8 | 73,5 × 10–4 | CH3COO– | 4,2 × 10–8 | 40,9 × 10–4 |
|
Mg2+ | 5,5 × 10–8 | 106,1 × 10–4 | 7,2 × 10–8 | 138,6 × 10–4 |
|
Al3+ | 6,5 × 10–8 | 183,2 × 10–4 | 8,3 × 10–8 | 159,6 × 10–4 |
Из приведенных в табл.1 данных можно усмотреть некоторые закономерности. Во-первых, абсолютная скорость движения катионов растет в пределах одной группы периодической системы элементов с ростом порядкового номера, как это видно из данных для катионов щелочных металлов. Сравнение расположенных в одном периоде и имеющих приблизительно одинаковый размер ионов Na+, Mg2+, Al3+ показывает незначительное увеличение абсолютной скорости движения с увеличением заряда иона. Оба эти факта объясняются явлением сольватации ионов в растворе. Молекулы растворителя группируются вокруг иона и увеличивают его эффективный радиус (который называется гидродинамическим радиусом).
В электрическом поле в растворах электролитов перемещается не свободный ион, а ион с плотно связанной с ним сольватной оболочкой. В силу меньшего размера ион Li+ сильнее притягивает диполи воды и в итоге имеет большую сольватную оболочку, чем ион калия. Следовательно, небольшие ионы имеют больший гидродинамический радиус и характеризуются меньшей абсолютной скоростью движения. Этим же объясняется малое отличие в абсолютной скорости движения ионов Na+, Mg2+, Al3+. С увеличением заряда, естественно, резко возрастает сольватная оболочка и тем самым размер перемещающейся частицы. Это увеличение размера почти полностью компенсирует эффект увеличения заряда.
Обращает также на себя внимание аномально высокая абсолютная скорость движения ионов гидроксония H 3 O + (H + ) и гидроксила OH – . Можно предположить, что ион Н+ должен быть сильно сольватирован, тем не менее он способен быстро передвигаться в растворе. В этом случае нельзя применить гидродинамический довод, поскольку действует так называемый «эстафетный механизм» перемещения ионов гидроксония и гироксила. В цепочке, построенной из молекул воды, заряд может перейти от одного конца цепочки к другому в результате сравнительно небольшого перемещения протонов, образующих водородные связи между молекулами воды, например:
Из приведенной схемы видно, что перемещение электрического заряда происходит без перемещения атомов водорода. Иными словами, вместо одного иона Н+, двигающегося в растворе, существует эффективное движение иона Н+ , включающее образование и разрыв связей вдоль длинной цепочки молекул воды. Аналогичную схему легко изобразить и для перемещения гидроксид-иона.
font-size:13.0pt;line-height:150%">Повышение температуры влияет на абсолютную скорость движения ионов путем дегидратации и уменьшения вязкости среды, что способствует увеличению скорости перемещения ионов.
Удельная электрическая проводимость
Электрическая проводимость (L) –– это способность веществ проводить электрический ток под действием электрического поля. Она представляет собой величину обратную электрическому сопротивлению R:
L = (2)
Единицей электрической проводимости в CИ является сименс (См), и 1 См = 1 Ом–1.
Известно, что R = r https://pandia.ru/text/79/437/images/image007_146.gif" width="20 height=41" height="41">.gif" width="16 height=44" height="44">= æ , то:
L == æ × , (3)
где
æ (каппа) – удельная электрическая проводимость (См/м),
S
– площадь плоских электродов (м2), между которыми заключен раствор,ℓ – расстояние между электродами (м).
Удельной электрической проводимостью называется электрическая проводимость 1м3 раствора, находящегося в однородном электрическом поле при напряженности 1 В/м. Единицей удельной проводимости в CИ служит сименс/метр (См/м). Удельная электрическая проводимость зависит от многих факторов и, прежде всего, от природы электролита, его концентрации и температуры. Изотермы удельной электрической проводимости (рис.1) дают представление о характере зависимости удельной электрической проводимости от природы электролита и его концентрации для 250С (298К). Анализ изотермы позволяет сделать следующие выводы:
1. Удельная электрическая проводимость максимальна для растворов сильных кислот и несколько меньше – сильных оснований, что объясняется полной диссоциацией этих электролитов и высокой подвижностью ионов Н3О+ и ОН–.
2. Наименьшие значения во всем диапазоне концентраций имеет удельная электрическая проводимость растворов слабых электролитов (СН3СООН) в связи с низкой концентрацией ионов (a <<1).
3. Удельная электрическая проводимость растет с увеличением концентрацией до некоторых максимальных значений, что отвечает увеличению количества ионов в единице объема раствора. Достигнув максимума, удельная электрическая проводимость начинает уменьшаться, несмотря на рост концентрации электролита. Подобный характер зависимости æ от С связан у сильных электролитов с уменьшением подвижности ионов из-за возрастающего по мере увеличения концентрации раствора межионного взаимодействия, а у слабых электролитов – с уменьшением степени электролитической диссоциации электролита, а значит, и уменьшением количества ионов в единице объема раствора.
С увеличением температуры удельная электрическая проводимость растет. Это обусловлено, в основном, дегидратацией ионов и уменьшением вязкости среды, т. е. уменьшением сопротивления движению ионов.
Удельная электрическая проводимость растворов зависит от разведения. Разведение величина обратная концентрации. (Разведение обозначается символом V или 1/С и характеризует объем раствора, содержащий 1 моль электролита). Когда разведение мало – раствор концентрирован и степень диссоциации слабого электролита мала. С ростом разведения a сначала увеличивается, а, следовательно, и увеличивается удельная электрическая проводимость. При дальнейшем увеличении разведения степень диссоциации приближается к единице и перестает расти, в то время как общее количество электролита в единице объема уменьшается, что вызовет падение электрической проводимости.
Удельная электрическая проводимость может быть вычислена теоретически:
æ = F × C × a × (w А + w K ) – для слабых электролитов (4)
æ = F × C × fa × (w А + w K ) –для сильных электролитов (5)
где F – число Фарадея, С – концентрация электролита (моль/м3), a – степень диссоциации слабого электролита, fa – коэффициент активности сильного электролита, w А и w K – абсолютная скорость движения аниона и катиона в м/сек при градиенте потенциала 1 В/м.
Молярная электрическая проводимость.
Молярная электрическая проводимость – электрическая проводимость 1 моль электролита, находящегося в растворе между параллельными электродами с расстоянием между ними 1 м и градиенте потенциала 1В/м. Между удельной электрической проводимостью и молярной электрической проводимостью (λm) существует зависимость:
λm = æ/C, (6)
где λm (лямда) – молярная электрическая проводимость, См × м2 × моль–1, æ – удельная электрическая проводимость, См × м–1; С – концентрация электролита в растворе, моль/м3.
Обычно молярная концентрация характеризуется количеством вещества в 1 дм3 (1л), а не в 1м3. В этом случае соотношение имеет вид:
Скорость направленного движения иона, т. е. путь, пройденный ионом в растворе под действием электрического поля в направлении к электроду за единицу времени, зависит от действующей на ион силы, т. е. от напряженности электрического поля:
где v - скорость движения иона, м/с; Е - напряженность поля, В/м; и - коэффициент пропорциональности, называемый электрической подвижностью иона или просто подвижностью иона, м 2 /(В * с).
Подвижность иона характеризует его способность преодолевать сопротивление среды при направленном движении в электрическом поле. Рассмотрим основные факторы, влияющие на подвижность иона в водных растворах при наличии электрического поля.
Заряд и радиус иона, т. е. его природа. Влияние этих характеристик иона взаимосвязано, но неоднозначно: чем больше заряд и чем меньше радиус иона, тем сильнее гидратируется ион, тем толще его гидратная оболочка и, следовательно, тем ниже подвижность иона в растворе. В соответствии с этим в ряду однозарядных ионов Li + , Na + , К + , Rb + , Cs + , который характеризуется последовательным возрастанием ионного радиуса, радиус гидратированного иона, наоборот, уменьшается, а определенная опытным путем электрическая подвижность ионов возрастает от Li + к Cs + :
Отсутствие резких различий в подвижности многозарядных и однозарядных ионов также объясняется большей гидратацией многозарядных ионов, что увеличивает размер и снижает их подвижность в электрическом поле несмотря на больший заряд.
Природа растворителя, его диэлектрическая проницаемость и вязкость. Чем полярнее растворитель, тем лучше сольватируется ион, тем больше размеры гидратированного иона и, следовательно, меньше его подвижность. Вязкость растворителя обуславливает сопротивление среды движущемуся иону: чем больше вязкость, тем меньше подвижность иона.
Температура раствора. При повышении температуры уменьшаются вязкость растворителя и толщина сольватных оболочек ионов, а также снижается межионное взаимодействие. Все это приводит к увеличению подвижности ионов.
Ионная сила раствора. Чем больше ионная сила раствора, тем сильнее межионное электростатическое взаимодействие и создаваемые им тормозящие эффекты.
Концентрация ионов. Чем больше концентрация ионов в растворе, тем сильнее электростатическое взаимодействие ионов, снижающее их подвижность. Концентрация ионов зависит от силы электролита и его количества в растворе. При разбавлении растворов сильных электролитов подвижность соответствующих ионов растет, поскольку уменьшается их концентрация, а следовательно, снижается межионное взаимодействие в растворе. В растворах слабых электролитов (обычно а < 0,03) подвижность ионов практически не зависит от разбавления, так как концентрация ионов в этих растворах всегда невелика.
Поскольку подвижность ионов зависит от многих факторов, и прежде всего от их концентрации в растворе, то для характеристики свойств ионов используются значения предельной электрической подвижности ионов в данном растворителе при данной температуре, которые для водных растворов приведены в табл. 24.1.
Предельной подвижностью иона (и°, м 2 /(В * с)) называется средняя скорость его направленного движения, приобретаемая им в бесконечно разбавленном растворе в однородном электрическом поле напряженностью 1 В/м.
Различают предельные подвижности катионов и + 0 и анионов и - 0, поскольку в электрическом поле эти частицы движутся в противоположных направлениях.
Предельная подвижность иона в данном растворителе зависит только от природы иона и температуры. Приведенные в таблице данные показывают, что у большинства ионов предельные подвижности очень малы: (3 - 8) * 10 -8 м 2 /(В * с). Значительно больше подвижность ионов Н + (Н3О +) и ОН-. Это связано с тем, что данные ионы образуются при обратимой диссоциации молекул воды, поэтому для них характерен «эстафетный» механизм перемещения. Под действием электрического поля ион гидроксония передает протон по водородной связи молекуле воды ближайшего ассоциата. В результате этот ассоциат приобретает избыточный положительный заряд, который он передает соседнему ассоциату, отдавая протон от ближайшей к нему молекулы воды вдоль силовых линий электрического поля:
Таким образом, за счет перескока протона от ассоциата к ассоциату по водородной связи происходит быстрое перемещение иона гидрок-сония к отрицательному полюсу.
Аналогично происходит перемещение иона гидроксила в водной среде к положительному полюсу путем отщепления им протона от молекулы воды ближайшего ассоциата. Однако подвижность иона гидроксила меньше, чем иона Н 3 0 + , так как протон в ионе Н 3 0 + связан менее прочно, чем в молекуле воды. В неводных растворителях, где невозможен "эстафетный" механизм движения, ионы Н + и ОН - не имеют аномально большой скорости движения.
Растворы электролитов. Теория электрической диссоциации.
Электролиты – вещества, которые в растворе или расплаве полностью или частично состоят из ионов. Данные вещества способны проводить электрический ток.
Теория Аринуса:1) При растворении в воде молекулы электролитов распадаются на катионы и анионы, что приводит изменению энергии Гиббса. . 2)Процесс диссоциации обратим, т.е. в растворе существует равновесие. А при разбавлении возможна полная диссоциация. . 3)Сумма катионов равна сумме анионов. 4)Растворы ведут себя, как идеальные газы (истинно только для растворов слабых электролитов).
Для количественной характеристики электролитов была введена степень диссоциации: - число продиссоциированных молекул; - общее число молекул в растворе; По степени диссоциации различают сильные ( =1, диссоциация проходит полностью) и слабые ( электролиты.
Характеристикой слабых электролитов является константа диссоциации:
Связь между и описывает закон разбавления Осфальда: . Растворы электролитов значительно отличаются от идеальных растворов тем, что происходит увеличение частиц в результате диссоциации.
Изотонический коэффициент – отношение фактического числа частиц в растворе, к тому, которое было бы без диссоциации. Связь между и : K – суммарное число ионов, образующихся в процессе диссоциации 1 молекулы электролита.
Сильные электролиты.
ü В растворах полностью диссоциируют на ионы;
ü Между ионами существует электростатическое взаимодействие – каждый ион окружён обратно заряженными ионами, так называемой ионной атмосферой.
Для растворов сильных электролитов используют активности, а не концентрации.
Коэффициент активности () – мера отличия свойств растворов электролитов от свойств идеальных растворов.
Для сильных электролитов нужно учитывать силы электростатического взаимодействия между ионами, т.к. происходит уменьшение скорости движения ионов из-за двух эффектов: 1)Катоффетический – торможение ионов при движении из-за наличия ионной атмосферы. 2)Релаксационный – разрушение старой ионной атмосферы и образование новой.
Механизм движения ионов. Абсолютная скорость ионов.
Для включения электрического поля ионы хаотично движутся,а при наложении поля одно из направлений преобладает,и движение от А к К.По мере увеличения скор.движения возрастает сопротивление среды,оно больше,чем больше вязкость среды и радиус иона.Абсолютная скорость движения ионов равна скорости движения иона при напряжённости электрич.поля = 1 вольт/м2.По мере уменьш. концентрации возрастает число ионов в р-ре.
Движение ионов возникает из-за: 1) неодинакового распределения ионов по обе стороны мембраны; 2) избирательной проницаемости мембраны для ионов. В состоянии покоя мембрана неодинаково проницаема для различных ионов.