Определение эквивалентной электропроводности уксусной кислоты при бесконечном разбавлении графическим и аналитическим методом

                                  Федеральное агенство по образованию

Федеральное государственное образовательное  учреждение

Высшего профессионального образования

«Чувашский  Государственный Университет им. И. Н. Ульянова»

                              Кафедра физической химии и ВМС 
 
 
 

Курсовая  работа на тему: 

«Определение  эквивалентной электропроводности уксусной кислоты  при бесконечном  разбавлении графическим  и аналитическим  методом » 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                             Выполнила : студентка

                                                                                        группы Х – 11 – 06

                                                                                  Данилова А.В.

                                                                            Проверил:

                                                                                              доцент Верхунов С.М.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                               Чебоксары 2010 
 
 

Содержание 

    Ведение

1. Литературный обзор
2. Характеристика уксусной кислоты
3. Экспериментальная часть
4. Обсуждение результатов

    Вывод

   Список  использованной литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

 По способу  переноса электрического заряда различают: проводники первого и второго рода. Твердые и жидкие проводники, прохождение через которые электрического тока не вызывает переноса вещества в виде ионов, называются проводниками первого рода.

        Электрический ток в проводниках первого рода осуществляется потоком электронов (электронная проводимость). К таким проводникам относятся твердые и жидкие металлы и некоторые неметаллы (графит, сульфиды цинка и синца).

        Вещества, прохождение через которые электрического тока вызывает передвижение вещества в виде ионов (ионная проводимость) и химические превращения в местах входа и выхода тока (электрохимические реакции), называются проводниками второго рода. Типичными проводниками второго рода являются растворы солей, кислот и оснований в воде и некоторых других растворителях, расплавленные соли и некоторые твердые соли. Как правило, в проводниках второго рода электричество переносится положительными (катионы) и отрицательными (анионы) ионами.

Деление проводников  в зависимости от типа проводимости от типа проводимости (электронная или ионная) является условным

        В зависимости от природы токопроводящих частиц и от их электропроводности все вещества можно условно разделить на пять групп:

1.      Непроводящие тела, или изоляторы.

2.      Проводники первого рода, или  электронопроводящие тела.

3.      Полупроводники – вещества, в  которых ток переносится электронами  и

дырками.

4.      Проводники второго рода, или  ионные проводники, - вещества, в  которых ток переносится ионами.

5.      Смешанные проводники – тела, сочетающие электронную ионную проводимости.

Исследуемая уксусная кислота относится к проводникам  второго рода, для

которых характерна ионная проводимость.

Цель данной работы заключается в определении  эквивалентной электропроводности уксусной кислоты при бесконечном разбавлении.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Литературный обзор

1.1. Электропроводность электролитов. 

1.1.1Удельная и молярная электропроводности электролитов.

    Электрическая проводимость растворов электролитов, т.е. способность их проводить электрический ток, зависит от природы электролита и растворителя, концентрации, температуры и некоторых других факторов. Различают удельную и молярную электрическую проводимости.

    Удельная  электрическая проводимость раствора электролита x – это электрическая проводимость объема раствора, заключенного между двумя параллельными электродами, имеющими площадь по одному квадратному метру и расположенными на расстоянии одного метра друг от друга.

    Удельная  электрическая проводимость является величиной, обратной удельному сопротивлению ρ:

                                 (1)

    Удельное  сопротивление определяется по уравнению

                              (2)

    где R — общее сопротивление проводника. Ом; l — длина проводника, м; s — поперечное сечение проводника, м². Из уравнения (2) имеем:

    ρ=Rs/l.                           (3)

    Полученное  выражение показывает, что размерность, т. е. единица удельного сопротивления, выражается величиной [ρ]=0м м.

    Единица удельной электрической проводимости, т. е. размерность ее, выражается обратной величиной x=1/(0м м) = Oм^-l•м^-l = Cм м^-1.

    Повышение температуры на 1 К увеличивает  удельную электрическую проводимость примерно на 2 - 2,5%. Это объясняется  понижением вязкости раствора и уменьшением гидратации ионов, а для растворов слабых электролитов увеличением их степени диссоциации.

    Зависимость удельной электрической проводимости разбавленных растворов от температуры описывается эмпирическим уравнением

    x_T = x₂₉₈ [1 + α (T - 298) +β (Т- 298)²];

                                           (4)

    β = 0,0163 (α - 0,0174),

    где x₂₉₈ – удельная электрическая проводимость при 298 К; α и β - температурные коэффициенты электрической проводимости. Коэффициенты α и β зависят от природы электролита: для сильных кислот α = 0,0164, для сильных оснований           α = 0,0190, для солей α = 0,0220.

    В растворах слабых электролитов диссоциация  молекул электролита на ионы увеличивает  объем раствора. Поэтому повышение  давления в соответствии с принципом  смещения подвижного равновесия Ле Шателье – Брауна уменьшает степень диссоциации электролита и, следовательно, электрическую проводимость. Заметное влияние на электрическую проводимость раствора слабого электролита оказывает только давление порядка сотен и тысяч атмосфер. Например, повышение давления до 2000 атм уменьшает x для уксусной кислоты на 40%.

    При изучении электрической проводимости растворов целесообразно пользоваться молярной электрической проводимостью  Λ, которая равна электрической проводимости объема раствора электролита, содержащего 1 г/моль растворенного вещества и находящегося между двумя параллельными электродами, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга. Для слабых электролитов изменение молярной электрической проводимости от концентрации раствора связано в основном со степенью диссоциации и для сильных электролитов - с межионным взаимодействием.

    Удельная  и молярная электрические проводимости связаны между собой соотношением:

    Λ = xV_м = x/c_м                             (5)

    где V_м — число кубометров раствора, содержащего 1 г/моль электролита; С_м — концентрация электролита, выраженная в моль/м³. Для практических расчетов можно использовать также размерности в производных единицах СИ: [χ]=См см^-1; [Λ] = См см² •моль^-1; [с] = моль/л (моль/дм³). При этом вместо уравнения (5) получаем:

                                      (6)

    При вычислении молярной электрической  проводимости нужно указывать формульную единицу, для которой она вычислена. Так, например, при 298 К в водном растворе при предельном разбавлении A(MgCl₂)=258 · 10⁴ См м² • моль^-1, но Λ (MgCl₂) = 129 • 10⁴ См • м² моль^-1.

    Молярная  электрическая проводимость с уменьшением  концентрации раствора увеличивается и при с → 0 стремится к некоторому предельному максимальному значению Λ_∞, которое называется молярной электрической проводимостью при предельном (бесконечном) разбавлении. Например, для предельно разбавленных растворов НС1, КС1 и NH₄OH значения Λ_∞, при 298 К соответственно равны          426 · 10⁴; 149,8 10⁴ и 271,4 10⁴ См м² моль^-1.

    Зависимость молярной электрической проводимости от температуры можно представить уравнением:

    Λ_Т = Λ₂₉₈ [1+α (T-298)],                     (7)

    где  Λ_Т и Λ₂₉₈  — молярные электрические проводимости при температуре Т = 298 К; α — температурный коэффициент электрической проводимости. Уравнение (7) справедливо для узкого интервала температур. Логарифмируя уравнение (6), получаем:  

                         (8)

    Беря  производную по температуре от уравнения (8), находим:

    ,    или       (9)

    Из  уравнения (9) следует, что температурные  коэффициенты удельной и молярной электрической  проводимости одинаковы.

    Рассмотрим зависимость молярной электрической проводимости раствора бинарного электролита от скорости движения ионов. Пусть электрический ток проходит через раствор бинарного электролита, помещенный в стеклянную трубку с поперечным сечением s м², причем расстояние между электродами равно l м и разность потенциалов между ними равна Е В. Обозначим через u'₊ и u'_- скорости движения катионов и анионов, м/с, а через с_м концентрацию раствора электролита, г/моль/м³. Если степень диссоциации электролита в данном растворе равна α, то концентрации катионов и анионов равны αс_м г/моль/м³. Подсчитаем количество электричества, которое переносится через поперечное сечение трубки за 1 с. Катионов за это время пройдет через сечение u'₊sαc_м г/моль и они перенесут u'₊sαc_мF Кл электричества, так как г/моль переносит количество электричества, равное числу Фарадея F. Анионы в обратном направлении перенесут u'_-sαc_мF Кл электричества. Сила тока I, т. е. общее количество электричества, проходящее через данное поперечное сечение раствора в 1 с, равна сумме количеств электричества, переносимого ионами в обоих направлениях:

    I = (u'₊ + u'_-)sαc_мF     u'₊ = u₊                  (10)

    Скорость  движения ионов u'₊ и u'_- прямо пропорциональна напряженности поля E/l:

    u'₊ = u₊       и      u'_- = u_-              (11)

    где u₊ и u_-  — абсолютные скорости ионов.

      Абсолютной скоростью движения иона называется его скорость при единичном градиенте потенциала в 1 В м^-1; ее размерность [u_i] = В м² с^-1

    Подставляя значения     u'₊ = u' _-   из уравнения (11) в (10), получаем

    I = αF(u₊ + u_-) .                     (12)

    С другой стороны, сопротивление R можно выразить через Λ. Учитывая, что из (11) ρ = 1/х и из (5) х = с_м Λ, получаем из (2) выражение R=l/(хs) = l/(c_мΛs). Из закона Ома

    I = =  Λ .                        (13)

    Приравнивая правые части уравнений (12) и (13) и  решая равенство  относительно Λ, получаем

    Λ= αF(u₊ + u_-)                (14)                                                                                      

    Для сильных электролитов α=1 и

                   Λ= F(u₊ + u_-)                  (15)

      Произведения

    Fu₊=λ₊     и    Fu_-=λ_-                  (16)

    Называются  подвижностями ионов; их размерность [λ_и] = См м моль ^-1. Например, в водном растворе при 298 К подвижности катионов К ⁺, Ag⁺ и  Mg²⁺ равны              73,5 · 10⁴; 61,9 · 10⁴ и 53,0 · 10⁴ См м² · моль^-1 и подвижности анионов С1^-1,  SO₄^2- и СН₃СОО^- - 76,3 10⁴; 80,0 · 10⁴ и 40,9 · 10⁴ См м² моль^-1 соответственно.

    Вводя значения λ₊ и λ_- в (14) и (15), получаем для слабых электролитов:

    Λ= α(λ₊ + λ_-)                       (17)

    и для сильных электролитов

    Λ= λ₊ + λ_-                            (18)

    Для предельно разбавленного раствора α = 1, поэтому

    Λ_∞ = λ + λ                      (19)

    где λ  и λ - подвижности ионов при предельном разведении. Уравнение (19), справедливое как для сильных, так и для слабых электролитов, называется законом Кольрауша, согласно которому молярная электрическая проводимость при предельном разведении равна сумме подвижностей ионов при предельном разведении. Из уравнения (19) и (16) получаем:

    Λ_∞ = F(u + u)                    (20)

    где F – постоянная Фарадея; u и u - абсолютные скорости движения ионов при предельном разведении.

1.1.2. Эквивалентная электропроводность

    Эквивалентная электропроводность λ [в см²/(г-экв Ом) вычисляется из соотношения:

                                   (21)

    где с — эквивалентная концентрация, г-экв/л.

     Эквивалентная электропроводность — это электропроводность такого объема (φ см³) раствора, в котором содержится 1 г-экв растворенного вещества, причем электроды находятся на  расстоянии 1 см друг от друга. Учитывая сказанное выше относительно удельной электропроводности, можно представить себе погруженные в раствор параллельные электроды на  расстоянии 1 см., имеющие весьма большую площадь. Мы вырезаем мысленно на поверхности каждого электрода вдали от его краев площадь, равную φ-см². Электропроводность раствора, заключенного между выделенными поверхностями таких электродов,     имеющими площадь, равную φ- см², и есть эквивалентная электропроводность раствора. Объем раствора между этими площадями электродов равен, очевидно, φ-см³ и содержит один грамм-эквивалент соли. Величина φ, равная  1000/с см³/г-экв, называется разведением.    Между электродами, построенными указанным выше способом, при любой концентрации электролита находится 1 г-экв растворенного вещества и изменение эквивалентной электропроводности, которое обусловлено изменением концентрации, связано с изменением числа ионов, образуемых грамм-эквивалентом, т. е. с изменением степени диссоциации, и с изменением скорости движения ионов, вызываемым ионной атмосферой.

    Мольная электропроводность электролита — это произведение эквивалентной электропроводности на число грамм-эквивалентов в 1 моль диссоциирующего вещества.

    На  рис. 1 показана зависимость эквивалентной  электропроводности некоторых электролитов от концентрации. Из рисунка видно, что с увеличением с величина λ уменьшается сначала резко, а затем более плавно.  
 

    Интересен график зависимости λ от (2). Как видно из графика (Рис. 2), для сильных электролитов соблюдается медленное линейное уменьшение λ с увеличением , что соответствует эмпирической формуле Кольрауша (1900);

    λ= λ_∞ - А                       (22)

    где λ_∞  - предельная эквивалентная электропроводность при бесконечном разведении: с → 0; φ → ∞

    Значение  λ сильных электролитов растет с увеличением φ и ассимптотически приближается к λ_∞. Для слабых электролитов (СН₃СООН) значение λ также растет с увеличением φ, но приближение к пределу и величину предела в большинстве случаев практически нельзя установить. Все сказанное выше касалось электропроводности водных растворов. Для электролитов с другими растворителями рассмотренные закономерности сохраняются, но имеются и отступления от них, например на кривых λ-с часто наблюдается минимум (аномальная электропроводность). 
 
 
 

2. Характеристика уксусной кислоты

У́ксусная кислота (эта́новая кислота) — органическое вещество с формулой CH₃COOH. Слабая, предельная одноосно́вная карбоновая кислота. Производные уксусной кислоты носят название «ацетаты».

2. Физические  свойства

Ледяная уксусная кислота Уксусная кислота представляет собой бесцветную жидкость с характерным резким запахом и кислым вкусом. Гигроскопична. Неограниченно растворима в воде. Смешивается со многими растворителями; в уксусной кислоте хорошо растворимы органические соединения и газы, такие как HF, HCl, HBr, HI и другие. Существует в виде циклических и линейных димеров

• Давление паров (в мм. рт. ст.):
• 10 (17,1 °C)
• 40 (42,4 °C)
• 100 (62,2 °C)
• 400 (98,1 °C)
• 560 (109 °C)
• 1520 (143,5 °C)
• 3800 (180,3 °C)
• Диэлектрическая проницаемость: 6,15 (20 °C)
• Динамическая вязкость жидкостей и газов (в мПа·с): 1,155 (25,2 °C); 0,79 (50 °C)
• Поверхностное натяжение: 27,8 мН/м (20 °C)
• Удельная теплоемкость при постоянном давлении: 2,01 Дж/г·K (17 °C)
• Стандартная энергия Гиббса образования Δ_fG⁰ (298 К, кДж/моль): −392,5 (ж)
• Стандартная энтропия образования Δ_fS⁰ (298 К, Дж/моль·K): 159,8 (ж)
• Энтальпия плавления ΔH_пл: 11,53 кДж/моль
• Температура вспышки в воздухе: 38 °C
• Температура самовоспламенения на воздухе: 454 °C
• Теплота сгорания: 876,1 кДж/моль

Уксусная кислота образует двойные азеотропные смеси со следующими веществами.

• Уксусная кислота образует тройные азеотропные смеси

• с водой и бензолом (t_кип 88 °C);
• с водой и бутилацетатом (t_кип 89 °C).

3. Получение 

• Уксусную  кислоту можно получить окислением ацетальдегида кислородом воздуха. Процесс проводят в присутствии катализатора — ацетата марганца (II) Mn(CH₃COO)₂ при температуре 50-60 °С:

2 CH₃CHO + O₂ → 2 CH₃COOH

3. 1. В  промышленности

3. 1. 1. Окислительные  методы

Ранними промышленными  методами получения уксусной кислоты  были окисление ацетальдегида и бутана.