Chuyển động của các ion trong chất điện phân. Tốc độ tuyệt đối của chuyển động ion
Chất lỏng, giống như chất rắn, có thể là chất dẫn điện, chất điện môi (rượu, nước) và chất bán dẫn (selen nóng chảy, tellurium). Dung dịch của các chất dẫn điện được gọi là chất điện giải. Ví dụ, chất điện phân là dung dịch nước của muối, axit và kiềm. Của chúng (phân tử bao gồm hai phần có điện tích trái dấu và bằng nhau, nghĩa là của hai ion. Khi chúng rơi vào nước, hằng số điện môi của ε = 81 thì cường độ tương tác điện giữa chúng giảm đi 81 lần. Với sự giảm lực hút giữa các ion tạo nên các phân tử của chất tan, thì sau va chạm với các phân tử nước, sẽ phân hủy thành các ion trong quá trình chuyển động nhiệt, tức là xảy ra sự phân ly điện phân. Hiđro và các ion kim loại đều dương.
Một số lượng nhất định các ion mang điện trái dấu trong chuyển động của chúng có thể gần nhau đến mức lực hút điện liên kết chúng lại thành một phân tử trung hòa. Giá trị của điện tích của một ion (hóa trị) được xác định bởi số lượng điện tử bị mất hoặc nhận được bởi một nguyên tử (hoặc một nhóm nguyên tử tạo nên một ion). Sự phân ly điện phân được viết dưới dạng phương trình, giống như bất kỳ phản ứng hóa học nào khác:
Vì vậy, có những hạt tải điện tự do trong chất điện phân, phải không? là các ion âm và dương. Chúng đang chuyển động nhiệt.
Chúng ta hạ hai điện cực vào bình điện phân và nối chúng với các cực của nguồn điện một chiều. Dưới tác dụng của điện trường tạo thành bởi nguồn điện trong chất điện phân, các ion tự do, ngoài chuyển động nhiệt, bắt đầu chuyển động ngược chiều nhau: dương - sang điện cực âm và âm - sang điện cực dương. P Dòng các ion âm và dương trong chất điện phân dưới tác dụng của điện trường của nguồn điện là dòng điện trong chất điện phân. Càng nhiều ion trong 1 cm 3 chất điện phân và tốc độ chuyển động của chúng càng lớn thì cường độ dòng điện càng lớn. Tốc độ chuyển động liên tục của các ion tạo thành dòng điện trong chất điện phân thấp. Ngay cả ion hydro nhanh nhất ở cường độ điện trường E = 100 w / m có tốc độ khoảng 12cm / giờ, và ion natri 1,6cm / h. Đối với chất điện phân, định luật Ôm là đúng.
Khi dòng điện đi qua chất điện phân, các ion, đến các điện cực, bị trung hòa và giải phóng chúng dưới dạng các phân tử trung hòa của chất. Có nghĩa, Sự truyền dòng điện qua các chất điện phân luôn kèm theo sự chuyển dời của vật chất. Do đó, trong chất điện phân, trái ngược với vật dẫn kim loại, hạt tải điện không phải là các electron tự do mà là các ion. Không giống như kim loại chất điện phân có dạng ion. Dòng điện chạy qua bình điện phân cho đến khi chất tan trong dung môi thoát ra hết trên các điện cực thì dòng điện dừng lại.
Chuyển động của các ion trong điện trường được sử dụng để đưa chúng vào cơ thể nhằm mục đích điều trị qua da nguyên vẹn. Ví dụ, khi các ion canxi được đưa vào cánh tay, bàn chải của nó được đặt trong bồn tắm có dung dịch nước canxi clorua, cánh tay được nối với cực âm của nguồn dòng điện và điện cực nhúng trong chất điện phân được nối với cực dương (Hình. 107). Dưới tác động của điện trường, các ion canxi dương đi vào cơ thể và lan tỏa khắp cánh tay.
Chúng ta hãy tìm hiểu xem điện trở của chất điện phân phụ thuộc vào nhiệt độ như thế nào. Hãy lắp ráp một mạch điện từ nguồn dòng điện, một ampe kế và một ống nghiệm với một bình điện phân trong đó các điện cực được nhúng (Hình 108). Khi đun nóng chất điện phân, chúng ta nhận thấy cường độ dòng điện trong mạch tăng lên. Điều này có nghĩa là khi các chất điện phân bị đốt nóng, điện trở của chúng sẽ giảm. Trong trường hợp này, tốc độ của các phân tử trở nên lớn hơn, động năng của chúng tăng lên, gây ra va chạm thường xuyên hơn và mạnh hơn giữa các phân tử chất điện ly, kết quả là có sự phân hủy lớn hơn các phân tử chất tan thành ion. Sự gia tăng số lượng các ion tạo thành dòng điện sẽ làm tăng cường độ của nó. Khi nhiệt độ tăng, sức cản của chất điện phân đối với sự chuyển động có hướng của các ion tự do tăng lên, nhưng sự gia tăng số lượng của chúng gây ra sự tăng cường độ dòng điện lớn hơn sự giảm đi do tăng số va chạm của các ion với các phân tử chất điện ly. . Cuối cùng đun nóng làm giảm điện trở của bình điện phân.
Sự chuyển động của các ion trong chất điện phân trong một số trường hợp có thể được thể hiện rất rõ ràng.
Cơm. 2.
Nhúng tờ giấy lọc với dung dịch điện phân (natri sunfat, Na 2 SO 4) và phenolphtalein rồi đặt lên đĩa thủy tinh (Hình 2).
Ngang qua tờ giấy, chúng tôi đặt một sợi chỉ trắng thông thường được làm ẩm bằng dung dịch xút (NaOH). Giấy dưới sợi chỉ sẽ chuyển sang màu đỏ thẫm do sự tương tác của các ion hydroxyl (OH) từ NaOH với phenolphtalein. Sau đó, chúng tôi ấn các điện cực dây gắn với tế bào điện vào các cạnh của tấm và bật dòng điện.
Các ion hydroxit từ natri hydroxit sẽ di chuyển về phía cực dương, làm giấy chuyển sang màu đỏ thẫm. Bằng tốc độ chuyển động của cạnh màu đỏ thẫm, người ta có thể phán đoán tốc độ chuyển động trung bình của các ion dưới tác dụng của điện trường bên trong chất điện phân. Kinh nghiệm cho thấy tốc độ này tỷ lệ với cường độ trường bên trong chất điện phân. Đối với một trường nhất định, vận tốc này hơi khác đối với các ion khác nhau. Tuy nhiên, nói chung, nó nhỏ và đối với các trường thường được sử dụng, nó được đo bằng phần trăm và thậm chí phần nghìn của centimet trên giây.
Thuyết phân ly điện ly
Svante Arrhenius đã thu hút sự chú ý đến mối quan hệ chặt chẽ giữa khả năng dẫn dòng điện của các dung dịch muối, axit và bazơ và độ lệch của các dung dịch của các chất này so với định luật van't Hoff và Raoult. Ông đã chỉ ra rằng độ dẫn điện của dung dịch có thể được sử dụng để tính toán giá trị của áp suất thẩm thấu của nó, và do đó, hệ số hiệu chỉnh i. Các giá trị i được anh ta tính toán từ độ dẫn điện phù hợp tốt với các giá trị được tìm thấy cho các giải pháp tương tự bằng các phương pháp khác.
Theo Arrhenius, nguyên nhân dẫn đến áp suất thẩm thấu cao quá mức của các dung dịch điện ly là do sự phân ly của các chất điện phân thành ion. Kết quả là, một mặt, tổng số hạt trong dung dịch tăng lên, và do đó, áp suất thẩm thấu tăng, áp suất hơi giảm, nhiệt độ sôi và nhiệt độ đông đặc thay đổi, mặt khác, các ion quyết định khả năng của dung dịch để dẫn dòng điện.
Những giả thiết này đã được phát triển thêm thành một lý thuyết kết hợp, được gọi là lý thuyết về sự phân ly điện ly. Theo lý thuyết này, khi hòa tan vào nước, các chất điện phân bị phân hủy (phân ly) thành các ion mang điện tích dương và âm. Các ion mang điện tích dương được gọi là cation; chúng bao gồm, ví dụ, hydro và các ion kim loại. Các ion mang điện tích âm được gọi là anion; chúng bao gồm các ion của dư lượng axit và các ion hydroxit. Giống như các phân tử dung môi, các ion trong dung dịch ở trạng thái chuyển động nhiệt mất trật tự.
Quá trình phân ly điện phân được mô tả bằng cách sử dụng các phương trình hóa học. Ví dụ, sự phân ly của HCl được biểu thị bằng phương trình:
HCl \ u003d H + + Cl -
Sự phân hủy các chất điện phân thành các ion giải thích sự sai lệch so với các định luật van't Hoff và Raoult. Một ví dụ là sự giảm điểm đóng băng của dung dịch NaCl. Bây giờ không khó hiểu tại sao sự sụt giảm điểm đóng băng của dung dịch này lại lớn đến vậy. Natri clorua đi vào dung dịch dưới dạng ion Na + và Cl -. Trong trường hợp này, từ một mol NaCl, không thu được 6,02 * 10 23 hạt mà là gấp đôi số của chúng. Do đó, sự giảm điểm đông đặc trong dung dịch NaCl phải lớn gấp đôi so với trong dung dịch không điện li có cùng nồng độ.
Tương tự, trong một dung dịch bari clorua rất loãng, phân ly theo phương trình, áp suất thẩm thấu lớn hơn 3 lần so với áp suất tính theo định luật van't Hoff, vì số hạt trong dung dịch lớn hơn 3 lần nếu bari clorua ở trong nó ở dạng phân tử BaCl 2.
BaCl 2 \ u003d Ba 2+ + 2Cl -
Do đó, các tính năng của dung dịch nước của chất điện ly, thoạt nhìn mâu thuẫn với các định luật van't Hoff và Raoult, đã được giải thích trên cơ sở của các định luật tương tự.
Tuy nhiên, lý thuyết Arrhenius đã không tính đến sự phức tạp của các hiện tượng trong các giải pháp. Đặc biệt, bà coi ion là những hạt tự do không phụ thuộc vào phân tử dung môi. Lý thuyết của Arrhenius bị phản đối bởi lý thuyết hóa học, hay hydrat, về các dung dịch của Mendeleev, dựa trên ý tưởng về sự tương tác của một chất tan với dung môi. Trong việc khắc phục sự mâu thuẫn dường như của cả hai lý thuyết, công lao to lớn thuộc về nhà khoa học Nga I. A. Kablukov, người đầu tiên đề xuất sự hydrat hóa của các ion. Sự phát triển của ý tưởng này sau đó đã dẫn đến sự thống nhất các lý thuyết của Arrhenius và Mendeleev.
Trong dung dịch loãng vô hạn, độ dẫn điện tương đương đạt đến một giới hạn và không còn phụ thuộc vào nồng độ, vì sự phân ly hoàn toàn xảy ra trong dung dịch của chất điện ly yếu (α = 1), và trong dung dịch của chất điện ly mạnh, tương tác tương tác biến mất.
Độ dẫn điện tương đương của dung dịch loãng vô hạn được gọi là độ dẫn điện ở độ loãng vô hạn và được ký hiệu là l ∞ (hoặc l 0).
Độ dẫn điện tương đương ở độ pha loãng vô hạn, theo định luật Kohlrausch về chuyển động độc lập của các ion, bằng tổng các di động ion giới hạn.
Tính di động liên quan đến tốc độ tuyệt đối của chuyển động ion N:
l + = n + F, l - = n - F, = F, = F
ở đâu F- Số Faraday, 96487 k. ≈ 96500 k.
Dưới tốc độ tuyệt đối của chuyển động của ion v, chúng ta hiểu tốc độ chuyển động của nó trong điện trường với một gradien thế năng 1 V / cm. Kích thước n cm 2 giây -1 - trong -1. Giá trị của tốc độ tuyệt đối của ion, những thứ khác bằng nhau (nhiệt độ, độ nhớt của môi trường, gradient trường) phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch và đạt đến giá trị giới hạn trong dung dịch loãng vô hạn, tức là ở φ → ∞, n + → , n - → Vì tốc độ chuyển động của các ion rất nhỏ nên các giá trị trong F lần lớn - tính di động l + và tôi - .
Độ di động còn được gọi là độ dẫn điện tương đương của các ion. Nó được đo bằng đơn vị tương đương với độ dẫn điện tương đương của chất điện phân (Ohm -1 cm 2 -g-eq -1). Tính linh động của ion phụ thuộc vào nồng độ, đặc biệt là trong các dung dịch có chất điện ly mạnh, trong đó tương tác giữa các chất là cao (f l < 1). Предельные подвижности ионов и достигаются при бесконечном разведении (φ→∞,f l → 1), ý nghĩa của chúng được đưa ra trong tài liệu tham khảo.
Sự phụ thuộc của độ dẫn điện tương đương vào mức độ phân ly và tương tác lẫn nhau được mô tả bằng phương trình:
Trong dung dịch của các chất điện li yếu, số ion tham gia truyền điện được xác định bằng mức độ phân li a. Trong dung dịch đậm đặc của chất điện li yếu, α rất nhỏ nên số lượng ion trong dung dịch cũng ít và thực tế không có tương tác lẫn nhau. Khi pha loãng dung dịch mạnh, α tăng và số
Tuy nhiên, các ion trong dung dịch có khoảng cách giữa các ion rất lớn nên tương tác của các ion cũng không có (f l = 1). Do đó, trong dung dịch của các chất điện ly yếu, ở bất kỳ độ pha loãng nào, các ion có độ linh động hạn chế và độ dẫn điện tương đương chỉ phụ thuộc vào mức độ phân ly.
Do đó, tỷ lệ độ dẫn điện sẽ tương ứng với mức độ phân ly của các chất điện li yếu.
Phương trình này được gọi là công thức Arrhenius, trong thực tế nó được dùng để xác định mức độ phân ly của các dung dịch điện li.
Đối với chất điện ly yếu hóa trị 1-1 phân ly theo sơ đồ AB ↔ A + B - sử dụng định luật pha loãng Ostwald và có thể xác định hằng số phân ly thông qua độ dẫn điện tương đương bằng công thức:
(10.8)
trong đó C là nồng độ chất điện ly, mol / l.
Theo lý thuyết Debye-Hückel, các chất điện ly mạnh trong dung dịch bị phân ly hoàn toàn thành các ion (α = 1) và tương tác giữa các chất tương tác rất lớn (f l < 1), значит уравнение (10.6) должно быть записано в виде
khi hệ số dẫn điện bằng
;
Hệ số dẫn điện là một hàm của nồng độ, nó được xác định bằng thực nghiệm dựa trên độ dẫn điện tương đương của dung dịch. Giá trị phụ thuộc vào hóa trị của các ion: chất điện ly hóa trị 1-1 (như NaCI, HCI) trong 0,1 N. dung dịch 0,8; cho hóa trị 1-2 (Na 2 SO 4, CaCI 2) fx~ 0,75; Hóa trị 2-2 (CuSO 4) ~ 0,4. Khi các dung dịch được pha loãng, sự tương tác giữa các chất tương tác giảm và những khác biệt này được làm mịn: độ dẫn điện tương đương đạt đến một giới hạn và
10.4 Cơ chế ảnh hưởng của các ion trong khí quyển đến độ dẫn điện
lời giải, định luật căn bậc hai Kohlrausch.
Về mặt định tính, cơ chế ảnh hưởng của ion không khí đến độ dẫn điện như sau: ion trung tâm, ví dụ, một cation, di chuyển về phía catốt khi đặt một điện trường không đổi, và bầu khí quyển mang điện trái dấu di chuyển về phía cực dương . Điều này gây ra cái gọi là ức chế điện di.
Bầu khí quyển bao quanh ion trung tâm sẽ biến mất phía sau ion chuyển động trong điện trường và hình thành lại phía trước nó. Cả hai quá trình phá hủy và hình thành khí quyển đều không xảy ra ngay lập tức, ví dụ, trong dung dịch kali clorua 0,1 N trong 0,6 10-9 giây và trong dung dịch 0,001 N trong 0,6 10-7 giây. Điều đó gây ra ức chế thư giãn. Do đó, hệ số dẫn điện nhận các giá trị nhỏ hơn sự thống nhất, không phải là kết quả của sự phân ly không hoàn toàn, mà là do sự biểu hiện của những ức chế này.
Ngoài sự ức chế điện di và sự giãn ra, có một lực thứ ba ức chế sự di chuyển của các ion trong dung dịch. Đây là lực ma sát phụ thuộc vào độ nhớt của dung môi mà ion di chuyển. Do đó, sự gia tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ chuyển động của các ion, và hệ quả là làm tăng độ dẫn điện.
Đối với dung dịch loãng của các chất điện li mạnh, lý thuyết đưa ra sự phụ thuộc tuyến tính của độ dẫn điện tương đương vào căn bậc hai của nồng độ (Luật căn bậc hai của Kohlrausch)
(10.9)
Liên tục NHƯNG, phụ thuộc vào bản chất của dung môi, nhiệt độ và loại hóa trị của chất điện ly, được xác định bằng thực nghiệm của hệ số góc của đường thẳng sang trục x (Hình 10.2).
Độ dẫn điện đương lượng giới hạn của chất điện ly mạnh có thể được tìm thấy bằng cách ngoại suy dữ liệu thực nghiệm đến giá trị C = 0. Cần phải nhấn mạnh rằng, mặc dù độ dẫn điện giới hạn được hiểu là độ dẫn điện ở nồng độ chất điện ly gần bằng 0, nhưng điều đó không có nghĩa là giống với độ dẫn điện tương đương của dung môi.
Cơm. 10.2 Sự phụ thuộc của độ dẫn điện tương đương vào căn bậc hai của nồng độ đối với chất điện ly mạnh (НCI, KOH, LiCI) ,
và chất điện li yếu (CH 3 COOH) trong dung dịch nước.
Đối với các dung dịch của chất điện li yếu, sự phụ thuộc của đương lượng
độ dẫn điện so với nồng độ tuân theo định luật pha loãng của Ostwald. Đối với α1, chúng tôi nhận được
(10.10)
ở đâu
hoặc ở dạng logarit
Sự phụ thuộc này không tuyến tính, do đó, giá trị không thể xác định được bằng phép ngoại suy, nó chỉ được xác định gián tiếp dựa trên quy luật chuyển động độc lập của các ion Kohlrausch.
Dữ liệu về độ linh động của các ion cho thấy bán kính của các ion trong mạng tinh thể không được bảo toàn trong các dung dịch. Ví dụ, bán kính
các ion kim loại kiềm liên tiếp Li +
Với sự gia tăng điện tích của các ion, tốc độ chuyển động của nó trong điện trường, và do đó, độ dẫn điện của dung dịch tăng lên. Tuy nhiên, các ion H + (chính xác hơn là các ion hydronium) và OH - có tốc độ cao nhất. Chỉ khả năng di chuyển của chúng được biểu thị bằng số có ba chữ số (= 349,8; = 198,3 ohm -1 -cm 2 -eq -1). Điều này dường như được giải thích là do một proton có thể được chuyển từ phân tử thành phân tử nước theo cơ chế được gọi là "chuyển tiếp".
cực dương (+) | H 3 O + H 2 O | cực âm (-).
Kết quả của một bước nhảy như vậy, proton đi qua 0,86 A, tương ứng với sự dịch chuyển của cation hydronium bằng 3,1 Ǻ, hoặc sự chuyển của hydroxyl trong điện trường tới cực dương
cực dương (+) | H 2 O OH - | cực âm (-),
tại đó bước nhảy của proton sang phải dẫn đến sự dịch chuyển của hydroxyl sang trái. Trong trường hợp này, hydroxyl nhận proton sẽ biến thành phân tử nước, và thay vào đó, một anion mới xuất hiện, gần anot hơn anion biến mất do thêm proton. Đương nhiên, với cơ chế dẫn truyền như vậy, độ linh động của các ion hydro và hydroxyl lớn hơn nhiều so với độ linh động của các ion chỉ chuyển động trong điện trường.
Độ dẫn điện của dung dịch
Chủ đề của điện hóa học
Điện hóa học hiện đại đang phát triển theo nhiều hướng. Trước hết, đây là nghiên cứu về các quá trình liên quan đến việc chuyển đổi năng lượng được giải phóng trong các quá trình hóa học tự phát thành năng lượng điện. Sự biến đổi như vậy xảy ra trong các hệ thống điện hóa được gọi là tế bào galvanic. Dựa trên những nghiên cứu này, người ta đã tạo ra nhiều loại nguồn điện hóa học từ pin thu nhỏ điều chỉnh nhịp tim của những người mắc bệnh tim đến pin nhiên liệu hydro cung cấp điện cho tàu vũ trụ và pin mạnh cho ô tô điện.
Một hướng khác của điện hóa học liên quan đến các quá trình về cơ bản đối lập với các quá trình xảy ra trong tế bào điện hóa. Chúng tôi đang nói về điện phân- sự biến đổi hoá học của các chất dưới tác dụng của dòng điện. Quá trình điện phân làm cơ sở cho quá trình cô lập và tinh chế kim loại, sản xuất các hóa chất khác nhau, lắng đọng kim loại trên bề mặt của các sản phẩm kim loại và phi kim loại, đánh bóng và phay điện hóa kim loại, và các quá trình quan trọng khác.
Hướng thứ ba được kết nối với việc nghiên cứu các quá trình ăn mòn và phát triển các phương pháp hiệu quả để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn.
Các nhiệm vụ quan trọng của điện hóa học là tạo ra và cải tiến các phương pháp phân tích định lượng hóa chất, nghiên cứu và kiểm soát các quá trình hóa học, phát triển các thiết bị phát hiện và xác định định lượng các tạp chất có hại trong môi trường, v.v.
Dây dẫn điện có hai loại:
1. Dây dẫn loại thứ nhất hoặc dây dẫn có độ dẫn điện tử. Tất cả các kim loại được bao gồm.
2. Chất dẫn điện loại hai có tính dẫn điện ion là dung dịch và chất điện li nóng chảy.
Vì các quá trình được xem xét trong điện hóa học chủ yếu diễn ra trong các dung dịch điện phân, chúng ta hãy đi sâu vào chi tiết về độ dẫn ion.
Khi axit, bazơ hoặc muối được hòa tan trong nước, các ion được hình thành chuyển động ngẫu nhiên liên tục. Nếu nhúng hai điện cực rắn nối với nguồn điện một chiều vào dung dịch điện phân thì chuyển động của các ion trở nên có hướng - mỗi ion chuyển động về phía điện cực có điện tích trái dấu.
Các yếu tố sau đây ảnh hưởng đến tốc độ chuyển động của các ion trong điện trường:
a) Kích thước ion: ion càng nhỏ thì tính di động càng nhiều. Xét đến yếu tố này, cần nhớ rằng các ion trong dung dịch nước có tính ngậm nước, nghĩa là chúng ta đang nói về kích thước ion ngậm nước. Ví dụ, ion Li + tự do nhỏ hơn ion K +, nhưng ion đầu tiên có tốc độ di chuyển thấp hơn trong dung dịch. Điều này là do thực tế là nó được ngậm nước nhiều hơn.
b) Điện tích của ion: tốc độ chuyển động của ion càng lớn thì điện tích của nó càng cao. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi điện tích tăng, mức độ hydrat hóa tăng lên, có nghĩa là độ linh động giảm.
c) Bản chất của dung môi: dung môi có độ nhớt càng lớn thì điện trở của ion càng lớn, tốc độ của nó càng thấp.
d) Cường độ điện trường U, tức là hiệu điện thế giữa các điện cực E, chia cho khoảng cách giữa chúng l:
U = E / l (3.1.)
Để loại trừ ảnh hưởng của yếu tố thứ hai, người ta thường so sánh tốc độ chuyển động của ion tại U = 1 V × cm -1, được gọi là tốc độ tuyệt đối. Đơn vị vận tốc tuyệt đối: cm 2 × V -1 × s -1. Ảnh hưởng của hai yếu tố đầu tiên có thể được truy tìm trong Bảng 3.1.
Bảng này cho thấy các ion H + và OH - có tốc độ cao hơn đáng kể so với các ion khác. Thông thường người ta giải thích điều này bằng một cơ chế đặc biệt cho sự chuyển động của các ion này, được gọi là cuộc chạy tiếp sức. Bản chất của cơ chế rơ le có thể được biểu diễn bằng sơ đồ như sau:
H 3 O + + H 2 O \ u003d H 2 O + H 3 O + và
H 2 O + OH - \ u003d OH - + H 2 O
Bảng 3.1.
Vận tốc tuyệt đối của các ion trong dung dịch nước (t = 25 0 С)
| Cation | V + | Cation | V + | Anion | V- | Anion | V- |
| H + K + NH 4 + Ag + Na + Li + | 0.003620 0.000762 0.000760 0.000642 0.000520 0.000388 | Ba 2+ Ca 2+ S 2+ Mg 2+ | 0,000659 0,000616 0,000616 0,000550 | OH - Br - I - Cl - NO 3 - | 0,002050 0,000812 0,000796 0,000791 0,000740 | CH 3 COO - SO 4 2- ClO 4 - Fe (CN) 6 4- | 0,000424 0,000827 0,000705 0,001140 |
Như vậy, giữa các ion hydroxit H 3 O + và các phân tử nước, cũng như giữa các phân tử nước và các ion hydroxit đều có sự trao đổi ion H +. Các quá trình này xảy ra với tốc độ khủng khiếp - thời gian tồn tại trung bình của ion H 3 O + là khoảng 10-11 s. Trong trường hợp không có trường bên ngoài, việc trao đổi như vậy sẽ tiến hành theo bất kỳ hướng nào. Dưới tác dụng của điện trường, sự chuyển dời các ion H + có hướng.
10. Tính dẫn điện của dung dịch các chất điện li
Độ dẫn điện ("Kappa") của một dung dịch là nghịch đảo của điện trở của nó R, có thứ nguyên là Ohm -1 . Đối với dây dẫn có tiết diện không đổi
,
điện trở suất ở đâu; S- diện tích mặt cắt ngang của ruột dẫn; l- chiều dài ruột dẫn; - độ dẫn điện riêng.
Độ dẫn điện ("kappa") của dung dịch là độ dẫn điện của một lớp dung dịch dài 1 cm, nằm giữa các điện cực có diện tích 1 cm 2. Nó được biểu thị bằng Ohm -1. cm -1. Trong hệ SI, độ dẫn điện được đo bằng Ohm -1. m -1.
Độ dẫn điện tương đương ("lambda") là độ dẫn điện của một thể tích dung dịch chứa 1 g-eq chất tan; với điều kiện là các điện cực cách nhau 1 cm, nó được biểu thị bằng Ohm -1. cm 2. g-tương đương -1.
ở đâu V = 1/C- độ pha loãng (hoặc độ pha loãng) của dung dịch, tức là thể tích chứa 1 g eq chất tan, và C- nồng độ đương lượng (định mức) của dung dịch. Trong hệ SI, độ dẫn điện tương đương được biểu thị bằng Ohm -1. m 2. kg-sq -1.
Độ dẫn điện tương đương của các dung dịch chất điện ly tăng lên khi tăng độ pha loãng của dung dịch và ở độ pha loãng vô hạn (nghĩa là ở nồng độ cực nhỏ), đạt đến giá trị giới hạn 0. giá trị này được gọi là độ dẫn điện tương đương của dung dịch ở độ pha loãng vô hạn.
Trong dung dịch loãng của chất điện ly mạnh, theo kinh nghiệm Định luật Kohlrausch(luật căn bậc hai):
trong đó và 0 là độ dẫn điện tương đương của dung dịch ở nồng độ Với và với sự nhân giống vô hạn, Một là một hằng số (ở một nhiệt độ nhất định) đối với một chất điện ly và dung môi nhất định.
Trong các dung dịch của chất điện ly yếu, và 0 liên quan đến mức độ phân ly của chất điện ly Phương trình Arrhenius:
Ngoài ra, nó thực hiện Định luật nhân giống của Ostwald, đối với một chất điện phân nhị phân được viết như sau:
,
ở đâu K là hằng số phân li của chất điện li yếu.
Độ dẫn điện của chất điện phân liên quan đến tốc độ chuyển động của các ion trong dung dịch. Tốc độ du lịch v i[m. s -1] ion trong dung dịch tỉ lệ với cường độ điện trường tác dụng E[TẠI. m -1]:
Yếu tố tỷ lệ u[m 2. s -1. Trong -1] được gọi là tuyệt đối tính di động và cô ấy.
Công việc u tôi F (F- Hằng số Faraday) được gọi là tính di động và cô ấy tôi[Ồ, -1. m 2. kg-eq -1]:
i = u i F.
Độ linh động của ion ở độ pha loãng vô hạn được gọi là ngoài lề tính di động ion và được ký hiệu là tôi 0. Hạn chế di chuyển tôi 0 một số ion trong dung dịch nước [Ohm -1. cm 2. g-eq -1] được cho trong Bảng 10.1.
Dựa theo pháp luật Su hào về sự di chuyển độc lập của các ion, độ dẫn điện tương đương của dung dịch ở độ pha loãng vô hạn bằng tổng các chuyển động giới hạn của các cation và anion:
0 = 0 + + 0 - .
Phần dòng điện do một ion nhất định mang theo được gọi là mang số t tôi và cô ấy:
,
và theo định nghĩa.
Dựa theo Luật Stokes, hạn chế độ linh động 0 của một ion có điện tích z và bán kính r trong dung môi có độ nhớt h được mô tả theo công thức:
ở đâu e- phí cơ bản, F là hằng số Faraday.
Bảng 10.1
Hạn chế di chuyển tôi 0 một số ion trong dung dịch nước ở 25 o C [Ohm -1. cm 2. g-tương đương -1]
| H + | 349.8 | ồ- | 198.3 |
| Li + | 36.68 | F- | 55.4 |
| Na + | 50.10 | Cl- | 76.35 |
| K + | 73.50 | br- | 78.14 |
| Rb + | 77.81 | TÔI- | 78.84 |
| Ag + | 61.90 | ClO 3 - | 64.6 |
| NH4 + | 73.55 | ClO 4 - | 67.36 |
| N (CH3) 4 + | 44.92 | BrO 3 - | 55.74 |
| 1/2 Mg2 + | 53.05 | CN- | 78 |
| 1/2 Ca2 + | 59.50 | SỐ 3 - | 71.46 |
| 1/2 Ba2 + | 63.63 | CH 3 COO - | 40.90 |
| 1/2 Mg2 + | 56.6 | C 6 H 5 COO - | 35.8 |
| 1/2 CD 2+ | 54 | H2PO4- | 36 |
| 1 / 3Al3 + | 63 | 1/2 SO 4 2- | 80.02 |
| 1/3 La 3+ | 69.7 | 1/2 S 2 O 6 2- | 93 |
Từ phương trình này sau Quy tắc Walden-Pisarzewski, theo đó đối với bất kỳ ion hoặc chất điện phân nào:
.
Ví dụ 10-1. Độ dẫn điện riêng 0,135 mol. l -1 dung dịch axit propionic C 2 H 5 COOH bằng 4,79. 10 -2 Xem m -1. Tính độ dẫn điện đương lượng của dung dịch, hằng số phân li của axit và pH của dung dịch, nếu độ linh động giới hạn của H + và C 2 H 5 COO - là 349,8 S. cm 2 mol -1 và 37,2 S. cm 2 mol -1. tương ứng.
0 \ u003d 349,8 + 37,2 \ u003d 387,0 Xem cm 2. mol -1.
= /C? 1000 = 4,79. 10 -2 Xem m -1 / 0,135 mol. l -1. 1000 \ u003d 3,55 Xem cm 2. mol -1.
= / 0 = 3.55/387.0 = 0.009.
= 1,15. 10 -5 (mol. L -1).
C = 1,24 10 -3 (mol. L -1).
pH = -lg = 2,91.
Trả lời. \ u003d 3,55 Xem cm 2. mol -1; = 0,009; K= 1,15. 10 -5 mol. l -1; pH = 2,91.
Ví dụ 10-2. Độ dẫn điện của dung dịch bão hòa BaCO 3 trong nước ở 18 o C là 25,475. 10 -4 Xem m -1. Độ dẫn điện riêng của nước 4.5. 10 -5 Xem m -1. Cơ thể của ion Ba 2+ và CO 3 2- ở 18 o C tương ứng là 55 và 66 Sm. Cm 2, g-eq -1. Tính độ tan của BaCO 3 trong nước ở 18 o C theo mol. l -1. Giả sử rằng muối được phân ly hoàn toàn và độ phân ly của ion bằng với độ phân ly ở độ loãng vô hạn.
(BaCO 3) \ u003d (dung dịch) - (H 2 O) \ u003d 25,475. 10 -4 - 4,5. 10 -5 = 25.025. 10 -4 Xem m -1.
0 (BaCO 3) = 0 (Ba 2+) + 0 (CO 3 2-) =
55 + 66 \ u003d 121 Xem cm 2. g-equiv -1 \ u003d 1,21. 10 -2 Xem m 2. g-tương đương -1.
С = / 0 = 0,206 g-eq. m -3 = 2,06. 10 -4 g-tương đương. l -1 = 1,03. 10 -4 mol. l -1.
Trả lời. Với= 1,03. 10 -4 mol. l -1.
Ví dụ 10-3. Độ dẫn điện riêng của dung dịch Mg (NO 3) 2 5% ở 18 o C là 4,38 Xem m -1. và mật độ của nó là 1,038 cm -3. Tính độ dẫn điện đương lượng của dung dịch và độ phân ly biểu kiến của muối trong dung dịch. Cơ số của ion Mg 2+ và NO 3 - ở 18 o C lần lượt là 44,6 và 62,6 cm. G-eq -1.
0,35 mol. l -1 = 0,70 g-eq. l -1.
= 
6,25. 10 -3 Xem m 2. g-eq -1 = 62,5 (Xem cm 2. g-eq -1).
0 \ u003d 44,6 + 62,6 \ u003d 107,2 (Xem cm 2. G-tương đương -1).
= / 0 = 62.5/107.2 = 0.583.
Trả lời: \ u003d 62,5 Xem cm 2. g-tương đương -1. = 0,583.
10-2 . Độ dẫn điện riêng của các dung dịch loãng vô hạn gồm KCl, KNO 3 và AgNO 3 ở 25 o C lần lượt là 149,9, 145,0 và 133,4 Sm. M 2 mol -1. Độ dẫn điện của dung dịch AgCl loãng vô hạn ở 25 o C là bao nhiêu? (trả lời)
10-3. Độ dẫn điện của dung dịch axit clohiđric loãng vô hạn, natri clorua và natri axetat ở 25 o C lần lượt là 425,0. 128,1 và 91,0 Xem m 2. mol -1. Độ dẫn điện của dung dịch axit axetic loãng vô hạn ở 25 o C là bao nhiêu? (trả lời)
10-4 . Độ dẫn điện của dung dịch nước 4% H 2 SO 4 ở 18 o C là 0,168 Xem cm -1. mật độ dung dịch - 1,026 cm -3. Tính độ dẫn điện đương lượng của dung dịch. (trả lời)
10-5. Độ dẫn điện riêng của dung dịch bão hòa AgCl trong nước ở 25 o C là 2,28. 10 -4 Xem m -1. và độ dẫn điện riêng của nước là 1,16. 10 -4 Xem m -1. Tính độ tan của AgCl trong nước ở 25 o C theo mol. l -1. (trả lời)
10-6 . Phần nào trong tổng dòng điện do ion Li + mang theo trong dung dịch nước LiBr ở 25 o C? (trả lời)
10-7 . Tính số chuyển của H + trong dung dịch HCl có nồng độ 1. 10 -3 mol. l -1. Số chuyển H + sẽ là bao nhiêu nếu thêm NaCl vào dung dịch này để nồng độ của nó là 1,0 mol. l -1? (trả lời)
10-9. Tính tốc độ chuyển động của ion Na + trong dung dịch nước ở 25 o C, nếu đặt hiệu điện thế 10 V vào các điện cực cách nhau 1 cm. Mất bao lâu để một ion di chuyển được quãng đường từ điện cực này sang điện cực khác? (Trả lời)
10-10. Độ dẫn điện riêng của dung dịch nước KI là 89,00 Sm. M -1. và dung dịch KCl có cùng nồng độ - 186,53 Sm. m -1. Độ dẫn điện riêng của dung dịch chứa cả hai muối là 98,45 Sm. M -1. Tính tỉ khối của KCl trong dung dịch.
10-11 . Độ dẫn điện riêng của dung dịch nước của chất điện li mạnh ở 25 o C là 109,9 cm. Cm 2. mol -1 ở nồng độ 6,2. 10 -3 mol. l -1 và 106,1 Xem cm 2. mol -1 ở nồng độ 1,5. 10 -2 mol. l -1. Độ dẫn điện của dung dịch ở độ loãng vô hạn là bao nhiêu? (trả lời)
10-12 . Tính bán kính của ion N (CH 3) 4 + theo định luật Stokes từ giới hạn độ linh động của nó trong dung dịch nước ở 25 o C. Độ nhớt của nước ở 25 o C là 8,91? 10 -4 Pa. với. Ước tính độ linh động giới hạn của ion này trong glyxerol, độ nhớt của ion này là 1,49 Pa. với. (trả lời)
10-13 . Ước tính độ linh động giới hạn của ion K + trong formamit và metyl axetat nếu độ nhớt của formamit cao hơn 3,7 lần và độ nhớt của metyl axetat thấp hơn 2,6 lần so với độ nhớt của nước. (trả lời)
10-14 . Tính độ dẫn điện 1,0. Dung dịch nước NaCl 10 -3 M ở 25 o C, giả sử rằng cơ năng ion ở nồng độ này bằng với cơ năng giới hạn của chúng. Cho dòng điện 1 mA chạy qua một lớp dung dịch dài 1 cm, nằm giữa các điện cực có diện tích 1 cm 2. Các ion Na + và Cl - sẽ đi được bao xa trong 10 phút? (trả lời)
10-15. Tính bán kính hiệu dụng của ion Li + ở 25 o C từ độ linh động giới hạn của nó bằng cách sử dụng định luật Stokes. Tính gần đúng số phân tử nước có trong vỏ hiđrat hóa của ion Li +. Bán kính tinh thể học của ion Li + là 60 pm. Độ nhớt của nước ở 25 o C là 8,91. 10 -4 Pa. với. Thể tích nội tại của phân tử nước có thể được ước tính từ các tham số của phương trình van der Waals. (trả lời)
10-16. Hằng số phân ly của amoni hydroxit là 1,79. 10 -5 mol. l -1. Tính nồng độ NH 4 OH tại đó độ phân ly là 0,01. và độ dẫn điện tương đương của dung dịch ở nồng độ đó. (trả lời)
10-17 . Độ dẫn điện tương đương 1.59. 10 -4 mol. l -1 dung dịch axit axetic ở 25 o C bằng 12,77 Xem cm 2. mol -1. Tính hằng số phân li của axit và pH của dung dịch. (trả lời)
10-18 . Hằng số phân li của axit butyric C 3 H 7 COOH là 1,74. 10 -5 mol. l -1. Độ dẫn điện tương đương của dung dịch khi pha loãng.1024 l. mol -1 bằng 41,3 Xem cm 2. mol -1. Tính mức độ phân ly của axit và nồng độ của các ion hydro trong dung dịch này, cũng như độ dẫn điện tương đương của dung dịch ở độ pha loãng vô hạn. (\ u003d 0,125; \ u003d 1,22. 10 -4 mol. l -1; 0 \ u003d 330,7 Xem cm 2. mol -1.) (đáp án)
10-19 . Độ dẫn điện đương lượng của dung dịch etylamoni hydroxit C 2 H 5 NH 3 OH ở độ loãng vô hạn là 232,6 S. cm 2. mol -1. Tính hằng số phân ly của etylamoni hydroxit, độ dẫn điện đương lượng của dung dịch, mức độ phân ly và nồng độ của ion hydroxyl trong dung dịch ở độ pha loãng 16 L. mol -1. nếu độ dẫn điện riêng của dung dịch ở độ pha loãng nhất định là 1,312. 10 -3 Xem cm -1.
Tư liệu thông tin "góc bạn đọc trẻ"
Tiến sĩ xa để tiêu diệt
Mua axit sunfuric ở đâu?