Determinarea constantei de disociere (Kd) si a gradului de disociere (α) din masuratori de conductivitate

Determinarea pH-ului

Scopul lucrarii

Se determina constanta de disociere K_d, gradul de disociere a si pH-ul pentru un electrolit slab, acid acetic (CH₃COOH) pentru a studia variatia conductivitatii si a pH-ului acestuia cu concentratia.

Principiul lucrǎrii:

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.

Pentru compararea din punct de vedere al conductivitatii electrice solutiilor de electroliti diferiti se defineste o alta marime, conductivitatea echivalenta, L care reprezinta conductivitatea ionilor, l raportata la un echivalent-gram de electrolit dizolvat intr-un volum, V (cm³) de solutie.

, unde si reprezinta dilutia (1)

(2)

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

(3)

iar [W^-1cm²/echiv.] sau [S∙cm² / echiv.] (4)

Conductivitatea echivalenta L creste cu dilutia si tinde catre o valoare maxima limita L , atinsa la dilutie infinita, cand disocierea electrolitului este completa. Pentru determinarea lui L_o se determina L la diferite concentratii alei unei solutii de electrolit si se extrapoleaza la C = 0.

Disocierea unui electrolit se exprima cantitativ prin doua marimi:

Constanta de disociere K_d - egala cu constanta de echilibru a procesului reversibil de echilibru ce are loc intre ioni si molecule nedisociate ale electrolitului.

Grad de disociere a - o marime fizico-chimica introdusa de Arrhenius ce reprezinta raportul dintre numarul de molecule disociate si numarul total de molecule dizolvate si se exprima prin raportul dintre L si L

(5)

K_d si a reprezinta un criteriu de clasificare a electrolitilor:

K_d > 1 si a - electroliti tari practic complet disociati in solutii de concentratii cuprinse intre 0,1 si 0,001M;

K_d < 10^-2 si a < 0,5 - electroliti slabi chiar si in solutii de concentratii mai mici de 0,01 M;

< K_d < 1 si 0,5 < a < 0,8 - electroliti medii.

K_d =  a C / (1- a - legea dilutiei lui Ostwald (6)

Legea dilutiei lui Ostwald exprima legatura dintre K_d si a si se aplica doar pentru electrolitii slabi, deoarece in cazul electrolitilor tari, a creste cu dilutia si nu se mai obtin valori constante pentru K_d.

Inlocuind pe  a din relatia (5) in relatia (6) se obtine:

(7)

Electrolitii pot fii: acizi, baze sau saruri. In continuare sunt prezentate procesele de disociere in cazul electrolitilor tari

unde, "C" este concentratia electrolitilor

In cazul electrolitilor slabi: Apa este un electrolit foarte slab, doar o molecula de apa din 550.000.000 disociaza:

H₂O ⇄ H⁺+ HO^- (8)

sau     2H₂O ⇄ H₃O⁺+ HO^- (9)

deoarece ionul de H⁺ nu se gaseste liber. Constanta de disociere va fi:

dar, K_d[H₂O]= const. = [H⁺]·[HO^-] = K_w = produsul ionic al apei.

La 25⁰C, K_w=10^-14 [mol/L²]. Pentru apa neutra, [H⁺] = [HO^-] = 10^-7[mol/L].

Fata de apa neutra solutiile pot fi: - acide, daca [H⁺] > 10^-7

- bazice, daca [H⁺] < 10^-7.

CH₃COOH ⇄ H⁺ + CH₃COO^- (10) (11)

Aciditatea unei solutii se poate exprima prin marimea fizico-chimica numita pH.

In cazul solutiilor ideale, (12)

sau in cazul solutiilor reale, (13)

unde, a_H⁺- concentratia activa sau activitatea;

(14)

(15)

unde, f - factor de activitate al electrolitului, depinde de natura substantei, de temperatura si de concentratie. Tinde catre 1 cand dilutia creste:       si

Pentru solutii apoase, pH Daca pH < 7 solutiile au caracter acid, daca      pH > 7 solutiile au caracter bazic. Pentru pH = 7 solutiile au caracter neutru.

Aparatura si substante: conductometru - inoLab® pH/Cond 720 (fig. 1), electrod de conductivitate, electrod de pH, pahare Berzelius, solutii de CH₃COOH de concentratii diferite.

Mod de lucru

electrodul de conductivitate aflat in paharul Berzelius ce contine apa distilata se scoate si sterge cu hartie de filtru;

se scoate capacul protector al electrodului de pH. Se spala in apa distilata electrodul de pH, apoi se sterge cu hartie de filtru;

Fig. 1 Conductometru - inoLab® pH/Cond 720

se conecteaza conductometrul la reateaua de alimentare cu curent electric;

electrodul de conductivitate se cupleaza la conductometru. Se porneste aparatul, apasand butonul "ON/OFF" si apoi butonul "▲▼, pana apare scala de citire a conductivitatii l exprimata in [μS/cm];

electrodul de conductivitate se introduce pe rand in 4 pahare Berzelius ce contin solutii de CH₃COOH (0.001N, 0.01N, 0.1N si 1N) in ordinea crescatoare a concentratiei. Pentru a face prima citire de conductivitate se apasa butonul "AR" pana ce apare pe ecranul aparatului in dreapta jos scris "AR". Apoi se apasa "Enter" si incepe sa clipeasca pe ecran "AR". Se asteapta ca acesta sa ramana fix pe ecran dupa care se noteaza valoarea conductivitatii l in tabelul de mai jos. Se procedeaza in acelasi mod pentru toate citirile de conductivitate;

electrodul de pH se cupleaza la aparat. Se porneste aparatul, apasand butonul "ON/OFF" si apoi butonul "▲▼, pana apare scala de citire a pH-ului;

electrodul de pH se introduce pe rand in cele 4 pahare Berzelius ce contin solutii de CH₃COOH in ordinea crescatoare a concentratiei si se citesc valorile pH-ului.

dupa terminarea determinarilor se opreste aparatul, se spala electrodul de conductivitate si cel de pH. Electrodul de conductivitate se introduce in paharul Berzelius cu apa distilata, iar celui de pH i se pune capacul protector.

Rezultate si calcule

Se intocmeste tabelul urmator cu datele experimentale obtinute:

Pentru             solutiile de electrolit slab, (CH₃COOH), se calculeaza:

conductivitatea echivalenta L cu ajutorul relatiei

gradul de disociere a folosind relatia (5), stiind ca valoarea conductivitatii echivalente limita L = 380 Scm²

constanta de disociere K_d pe baza relatiei (6);

concentratia ionilor de hidrogen, (C_H⁺) cu relatia (15) si pH_calc cu relatia (13).

Exercitii:

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 25⁰C 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_.