Oldatok vezetõképességének mérése - Az oldott anyag minõségének és koncentraciójanak hatasa az oldat vezetõképességére

Oldatok vezetõképességének mérése

Az oldott anyag minõségének és koncentrációjának

hatása az oldat vezetõképességére

Az elektromos áram vezetése szempontjából az anyagokat két nagy csoportra osztjuk:

Szigetelõk azok, amelyek nem vezetik, vezetõk azok, amelyek vezetik az elektromos áramot.

A vezetõk további két nagy csoprtja:

(1) az elsõrendû v. elektronvezetõk és (2) a másodrendû v. ionvezetõk, más néven elektrolitok.

Az elektrolitok lehetnek: (a) olvadék-elektrolitok és

(b) elektrolit-oldatok, ezek pedig erõs, ill. gyenge elektrolitok.

Ahhoz, hogy egy anyag vezesse az elektromosságot, tehát vezetõ legyen, az szükséges, hogy benne szabad mozgásra képes, töltéssel bíró részecsk 232h77c ék legyenek, amelyek elektromos potenciálkülönbség hatására egyirányú rendezett mozgást képesek végezni.

Az elsõrendû vezetõk a fémek és a grafit, bennük potenciálkülönbség hatására delokalizált elektronok, az elektrolitokban pedig pozitív és negatív töltésû ionok mozdulnak el (bipoláros vezetés).

A gyakorló kémikus számára minden szempontból a vizes oldatok a legfontosabbak. Maga a kémiailag tiszta víz igen rossz elektromos vezetõ (dm³‑ként néhányszor 10^-7 mól iont tartalmaz), de igen jó oldószere sok vegyületnek. Az ionkristályok, valamint kovalens vegyületek közül a polárisak és a H‑kötésre képesek jól, vagy kevésbé jól, de oldódnak vízben, az apolárisak viszont egyáltalán nem.

Amikor egy kovalens vegyület molekuláris állapotban oldódik a vízben, a képzõdött oldat nem tartalmaz ionokat, ezért az így képzõdött oldat nem vezeti az elektromosságot. Az ilyen oldatokat nemelektrolitoknak hívjuk.

Amikor a kovalens vegyület oldódásakor a vízzel való reakció - elektrolitos disszociáció - következtében hidratált ionok jönnek létre, elektrolitoldat keletkezik.

A disszociáció egyensúlyra vezetõ folyamat. Azokban az esetekben, amikor az egyensúlyi állandó értéke nagy, ennek következtében a disszociáció gyakorlatilag teljes, erõs elektrolit keletkezik. Ha azonban a disszociációs egyensúlyi állandó kicsi, az ionokra történõ disszociáció kis mértékû, gyenge elektrolit jön létre. Erõs elektrolit például az erõs savak és erõs bázisok (sósav, kénsav, salétromsav, alkálifém‑hidroxidok, stb) vizes oldata, gyenge elektrolit a gyenge savak és gyenge bázisok (szerves savak többsége, N‑tartalmú bázisok, stb) vizes oldata.

A sók (ionkristályok) ionjaik helyhez kötött volta miatt nem vezetik az elektromos áramot, a vízben való oldódáskor keletkezõ hidratált ionok azonban már mozgékonyak, így az oldat elektromos vezetõ. A sók vizes oldata mindig erõs elektrolitként viselkedik.

Az összes típusú elektromos vezetõre érvényes legfontosabb összefüggések a következõk:

1.) Ohm‑törvény vezetõszakaszra:

U = I R ahol                     (1)

U a feszültség(V), I az áramerõsség(A), R a vezetõ ellenállása(ohm,W

2.) Homogén vezetõ ellenállása:

ahol (2)

R a vezetõ ellenállása (ohm), l a vezetõ hossza (cm), A a vezetõ keresztmetszete (cm²), r a vezetõ fajlagos ellenállása. r nem más, mint egységnyi hosszúságú és egységnyi keresztmetszetû vezetõ ellenállása (SI-egység: W m, gyakorlati: W cm ) , s ez az anyagi minõségre jellemzõ állandó.

Minél kisebb egy vezetõ ellenállása, annál jobb vezetõ. Azonos méretû vezetõket összehasonlítva ugyanez mondható a fajlagos ellenállásokról.

3.) Párhuzamosan kapcsolt vezetõk eredõ ellenállása:

1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + ... (3)

Elektrolitok esetén a (2) és(3) összefüggéseket nem ebben a formában használják, az R helyett annak reciprokával, a G vezetõképességgel jellemzik a vezetõt:

G = 1/R, mértékegysége W = S (siemens)    (4)

Így a (2) egyenlet megfelelõ alakja elektrolit vezetõkre:

(2/a)

1/r k neve fajlagos vezetés, mértékegysége S cm^-1.

Ezek értelmében minél nagyobb egy elektrolit G vezetõképessége, azonos méretû (azonos hosszúságú és keresztmetszetû) vezetõket összevetve pedig a k fajlagos vezetése, annál jobban vezeti az elektromosságot.

A (3) egyenlet megfelelõ alakja elektrolitok esetén:

G = G₁ + G₂ + ... (3/a)

Jelentése az, hogy amikor egyidejûleg többféle elektrolit van az oldatban, az eredõ vezetõképesség az egyes vezetõképességek összegeként adódik.

Az elektrolitok vezetõképessége adott hõmérsékleten az oldatban levõ ionok számával arányos, ez pedig elsõdlegesen az oldott anyag minõségétõl (erõs ill. gyenge elektrolitként viselkedik‑e) függ, és változik a koncentráció változtatásával is. A koncentráció növelésével az ionok száma minden esetben nõ, így a vezetõképesség is, de a növekedés nem egyenes arányos a koncentráció növekedésével. Gyenge elektrolitok esetén ennek oka a disszociációfok csökkenése, erõs elektrolitok esetén pedig az ionok egymás mozgását akadályozó, "árnyékoló" hatásának a növekedése a koncentráció növekedésével. Ezzel magyarázható, hogy a vezetõképesség egészen más függvény szerint változik a koncentrációval erõs elektrolitok esetén, mint gyenge elektrolitok esetén.

Az oldatok vezetõképességének mérése ellenállás méréssel történik, Wheatstone‑hidas kapcsolással. A mérõ berendezés két fõ részbõl áll:

(a) a mérõ (harang)elektródból, és

(b) a mérõmûszerbõl (konduktométer).

(a) A mérõ elektród legfontosabb része a 2 db, egymástól adott (l) távolságban rögzített, A felületû Pt elektród, amelyet kívülrõl üvegbúra borít. Amikor az elektródokra gyenge váltóáramot[1] kapcsolunk, az elektródok közé került ionok vándorolni kezdenek a saját töltésükkel ellentétes töltésû elektród irányába, azaz vezetik az áramot. Az elektrolit, mint elektromos vezetõ hossza l, keresztmetszete A, így a (2/a) kifejezésben az A/l hányados pusztán az elektród geometriájától függõ érték, és egy adott elektródra nézve állandó. Jele C, neve edényállandó, mértékegysége cm.

A (2/a) kifejezés másik, gyakorlatban legtöbbször használt alakja:

G = k C (2/b)

A mérõmûszer az elektródok közötti oldat ellenállását méri, skáláján pedig a G vezetõképesség értékét mutatja.

(2) A konduktométer használati utasítása:

1.Csatlakoztassa a készüléket a 220 V‑os hálózati váltóáramhoz

2. A piros kapcsológomb megnyomásával a készüléket kapcsolja be, ekkor a piros

jelzõlámpa kigyullad.

3. 5‑10 percig hagyja melegedni a készüléket.

4. A készülékhez csatlakoztatott mérõelektródot merítse a mérendõ oldatba úgy, hogy az oldat az elektródokat lepje el, de az üvegbúrán levõ nyílásig ne érjen. Gondoskodjon arról, hogy az elektródok között levõ oldat buborékmentes legyen.

5. A méréshatárt kiválasztó gomb csavargatásával válassza ki azt a méréstartományt, amelyben a mûszer mutatójának kitérése maximális, de még a skálán belül van.

6. Nyomja le a "Calibration" feliratú gombot, és a jobboldali, forgatható gombbal

állítsa a mutatót a piros jelre. Ez a kiválasztott skála kalibrálása.

7. Engedje el a gombot. A gomb elengedésekor a mutató éppen a mérni kívánt vezetõképességet mutatja.

A mért érték leolvasása a méréstartomány és a megfelelõ skála együttes fiigyelembe vételével történik:

A mûszeren feltüntetett méréstartományok:

1,5 5 15 50 150 és 500 mS (a gomb jobb oldalán)

1,5 5 15 50 150 és 500 mS (a gomb bal oldalán)

A tükörskálához két beosztás tartozik, az egyik végkitérése 5,0 , a másiké 15.

Ha a megfelelõ méréstartomány 5, 50, 500 mS vagy mS, azon a skálán olvasa le a mutató állásának megfelelõ értéket, amelyiknek a végkitérése 5,0, ekkor a 0 -tól 5,00-ig terjedõ skála beosztása a méréstartománynak megfelelõen 0 - 5,0 , 0 - 50,0 ill. 0 - 500,0 mS vagy mS értékeket jelent.

Ha a méréstartomány 1,5 15 vmint 150 ms vagy mS, értelemszerûen azt a skálát használja, amelyiknek a végkitérése 15 .

Példa: A mutató maximális kitérését a 150 mS tartományban észleltük. Ekkor azt a skálát használjuk, amelyen a beosztás 0 és 15 közé esik, a mutató ezen a skálán 13,5 -nél áll. Ennek megfelelõen a mért vezetõképesség 135 mS. Ugyanez az állás az 1,5 mS-es méréstartományban 1,35 mS-et, a 15 mS tartományban pedig 13,5 mS-et jelent.

8. Amennyiben a mérések során méréstartományt vált, a kalibrálást minden esetben újra végezze el!

9. A gyakorlat végén az elektródot deszt. vízzel mossa tisztára, majd hagyja deszt. vízbe merítve. A mûszer piros gombjának megnyomásával a konduktométert kapcsolja ki.

Sorozatos mérés esetén célszerû legelõször meggyõzõdni arról, hogy a mérõelektródunk tiszta-e. Ezért elõször a tiszta desztillált víz vezetõképességét mérje meg, többször is, mindig újabb adag vízzel mindaddig, míg kétszer egymás után ugyanazt az értéket nem kapja.

A jó deszt. víz (vezetõképességi víz) vezetõképességének néhány mS -nek kell lenni.[2] A mérések között és a gyakorlat végén is így ellenõrizzük az elektród tisztaságát.

Ezután öblítse le az elektródot a mérni kívánt oldattal, majd mérje meg a vezetõképességét lehetõleg kétszer-háromszor, mindig újabb adag oldatot használva. Ha különbözõ koncentrációjú oldatokat kell mérnie, nagyban növeli a mérés pontosságát, ha a leghígabb oldattal kezdi, s a növekvõ koncentráció sorrendjében méri végig a sorozatot.

Kísérleti útmutató

Szükséges anyagok és eszközök

5 db 25 ml‑es fõzõpohár, 1 db 50 ml‑es fõzõpohár, 1 db 20 ml‑es hasas pipetta, 1 db nagy fõzõpohár, mágneses keverõ, pumpett

I.

1 db 0,01 M erõs elektrolit (ismert)

1 db 0,01 M gyenge elektroli (ismert)

1 db 0,01 M nemelektrolit (ismert)

2 db 0,01 M ismeretlen oldat

II.

6 db különbözõ koncentrációjú HCl és 6 db ugyanolyan koncentrációjú ecetsav-oldat

III.

0,05 M Ba(OH)₂ és 0,05 M H₂SO₄ oldat

Mérési feladatok:

I. A vezetõképesség függése az oldott anyag minõségétõl

1.) Mérje meg a desztillált víz vezetõképességét.

2.) 25 ml‑es fõzõpohárba öntve sorban mérje meg az azonos koncentrációjú nemelektrolit, a gyenge elektrolit és az erõs elektrolit vezetõképességét.

3.) Mossa tisztára az elektródot deszt. vízzel.

4.) 25 ml‑es fõzõpohárba töltve mérje meg a két ismeretlen oldat vezetõképességét.

5.) Mossa tisztára az elektródot.

II. A vezetõképesség függése a koncentrációtól

1.) A leghígabb oldattal kezdve, 25 ml-es fõzõpohárba töltve mérje meg a következõ HCl-oldatok vezetõképességét:

1,0ˇ10^-3 , 5,0ˇ10^-3, 1,0ˇ10^-2, 5,0ˇ10^-2, 0,10, 0,500 mol/dm³ koncentrációjú oldatokét úgy, hogy az egyes mérések után deszt. víz helyett a soron következõ oldattal öblítse a fõzõpoharat és az elektródot

2.) Mossa tisztára az elektródot.

3.) Ismételje meg az 1.) pontban leírtakat az ecetsav-oldatokkal is.

4.) Mossa tisztára az elektródot.

Adatait a mellékletben szereplõ 1. táblázat mintájára készített táblázat megfelelõ rovataiba írja.

III. A vezetõképesség változása kémiai reakció közben

A reakció: Ba(OH)₂ + H₂SO₄ = BaSO₄ + H₂O

1.) Mérjen egy 50 ml-es fõzõpohárba pontosan 20,0 ml kb. 0,05M Ba(OH)₂ oldatot. Mérje meg a vezetõképességét.

2.) Az osztott pipetta segítségével adjon hozzá egymás után 1 x 10,0 , 5 x 2,0 , majd 2 x 5,0 ml 0,05 M H₂SO₄ oldatot, alaposan keverje össze, várja meg, míg a csapadék kissé leülepszik, majd minden alkalommal mérje meg a vezetõképességet.

3.) Mossa tisztára az elektródot.

A mérési adatok feldolgozása

I.

Az ismeretlen oldatok vezetõképességét összevetve az ismertekével döntse el az adott ismeretlenrõl, hogy az erõs elektrolit, gyenge elektrolit vagy nemelektrolit.

II.

1. A táblázatok értelemszerû kitöltésével számítsa ki az egyes oldatok hígítását(V) dm³/mol -ban[4], a vezetõképesség és a koncentráció hányadosát (G/c) mindkét méréssorozat adatainak felhasználásával.

2. Ábrázolja mm‑papíron a) a mért G vezetõképesség-értékeket a c koncentráció függvényében

b) a G/c adatokat a V hígítás függvényében

III.

Írja fel a lejátszódó kémiai reakció sztöchiometriai egyenletét.

Ábrázolja mm‑papíron a mért vezetõképesség adatokat a hozzáadott kénsav térfogata függvényében.

Diszkusszió

Szövegesen értékelje a kapott mérési és számítási eredményeket, ábrákat a következõ, ajánlott szempontok felhasználásával:

Mekkora különbséget talált az azonos koncentrációjú erõs elektrolit, gyenge elektrolit illetve a nemelektrolit vezetõképessége között? Meg tudta-e állapítani egyértelmûen a mérések alapján, milyen jellegû volt a két ismeretlen oldat? Fontos volt-e, hogy mindegyik összehasonlított oldat azonos koncentrációjú legyen?

Függ-e a vezetõképesség a koncentrációtól? Mit állapít meg a II/2/a ábra alapján? Nõ vagy csökken-e a vezetõképesség a koncentráció növelésével? Mutatkozik-e jellegzetes különbség a gyenge és az erõs elektrolit vezetõképességének koncentrációfüggésében?

Mi olvasható le a II/2/b ábráról? Van-e jellegzetes különbség a G/c hígítástól való függésében az erõs és a gyenge elektrolit között? Próbálja magyarázni a tapasztalatait!

Milyen kémiai reakció játszódik le a III. kísérlet során? Mi okozza a vezetõképesség csökkenését az elsõ szakaszban? Milyen típusú molekulák vannak jelen a minimális vezetõképességû oldatban? Mi okozza a vezetõképesség növekedését a második szakaszban?

Írja le a gyakorlat során észlelt, megjegyzésre méltónak talált, bármilyen jellegû tapasztalatait, a gyakorlat, a mérés eredményességének javítására szolgáló javaslatait.

1. táblázat