6.a. Stanovení vodivosti silného a slabého elektrolytu $ Dojde-li ve vodě či jiném rozpouštědlu R k rozpuštění látky HA, může tato látka disociovat na ionty H^+ a A^-. V roztoku se ustaví termodynamická rovnováha: HA H^+ + A^- (6.1.) Popis toho, zda je rovnováha posunuta ve prospěch disociovaných iontů či výchozí látky udává disociační stupeň: (6.2.) Z tohoto vztahu lze odvodit (pokud zanedbáme disociaci rozpouštědla): a (6.3.) O hodnotě disociačního stupně α nerozhodují pouze vlastnosti látky HA, ale zejména solvatační schopnost rozpouštědla vůči rozpouštěné látce. Je li disociační stupeň blízký hodnotě ( ), pak látka HA zvyšuje výchozí vodivost rozpouštědla velmi málo a nazývá se slabým elektrolytem (například vodné roztoky slabých organických kyselin, většiny organických látek, H[2]S, H[3]PO[4], NH[3]). Pokud je disociační stupeň blízký hodnotě ( ), pak ionty vzniklé z látky HA zvyšují vodivost roztoku velmi výrazně a rozpuštěnou látku v daném prostředí nazýváme silným elektrolytem (například vodné roztoky silných anorganických kyselin a zásad: HCl, NaOH, většina solí: KCl, AgNO[3], ). Koncentrace disociovaných iontů v roztoku má výrazný vliv na jeho celkovou elektrickou vodivost G (konduktivita, jednotka Simens [S]=[Ω^-1]), která je převrácenou hodnotou elektrického odporu R [Ω]. Vodivost roztoků měříme konduktometrem, jehož součástí je vodivostní sonda tvořená dvěma platinovými elektrodami ponořená do sledovaného elektrolytu. Podobně jako u kovů lze i pro roztoky zjistit specifický odpor [Ω cm], ale výhodnější je sledovat specifickou vodivost roztoků [S cm^-1], která je převrácenou hodnotou . Specifickou vodivost roztoku vypočteme z jeho vodivosti G naměřené vodivostní sondou se známou odporovou konstantou C [cm^-1]. podle vztahu: (6.4.) Geometrickou konstantu vodivostní sondy C nejjednodušeji zjistíme naměřením vodivosti roztoku o známé specifické vodivosti . Obvykle se používá vodný roztok KCl o známé koncentraci. Specifickou vodivost 0,01 M KCl, tj. v [S cm^-1] v závislosti na teplotě ve ºC vypočteme dle polynomického rozvoje: kde: a[1] =7,728·10^-4 ; a[2] =2,345.10^-4 ; a[3] =7,816.10^-8 (6.5.) Velmi důležitou charakteristikou roztoků je molární vodivost, kterou vypočteme ze specifické vodivosti podle vztahu: (6.6.) kde c je molární koncentrace roztoku. Molární vodivost extrapolovaná k nulové koncentraci (na mezním zředění) se nazývá limitní molární vodivost a je součtem iontových limitních molárních vodivostí iontů : (6.7.) kde je počet iontů, na které rozpuštěná látka v roztoku disociuje. Předpokládáme-li, že se disociované ionty neovlivňují pak můžeme pro silný i slabý elektrolyt vypočítat disociační stupeň: (6.8.) Disociační konstantu slabých jednosytných kyselin stanovíme podle Ostwaldova zřeďovacího zákona (odvozeno dosazením vztahu (6.8.) do (6.3.) a do (6.1.)): (6.9.) Úpravou Ostwaldova zřeďovacího zákona dostaneme linearizovaný tvar vhodný pro grafické stanovení disociační konstanty a limitní molární vodivosti : (6.10.) ? Úkol: Stanovte disociační stupeň α kyseliny chlorovodíkové a octové v závislosti na jejich koncentraci ve vodě za teploty 25˚C. Rozhodněte, zda jsou silným či slabým elektrolytem. Pro obě látky porovnejte experimentálně naměřenou hodnotu s hodnotou tabelovanou. V případě kyseliny octové vypočtěte její disociační konstantu . " Potřeby: konduktometr, vodivostní nádobka a sonda, termostat, 14 odměrných baněk (100 ml), 1pipeta (50 ml), 5.10^-2M kyselina chlorovodíková, 5.10^-2M kyselina octová, 0,01M KCl, redestilovaná voda k přípravě roztoků. 2 Postup: Nejprve si ověříme vodivost redestilované vody. Touto vodou důkladně propláchneme temperovanou měřící nádobku termostatu i s vodivostní sondou. Pak sledujeme teplotu a vodivost vody (za teploty 25˚C by neměla být vyšší nežli 2mS). Není-li známá geometrická konstanta sondy C, změříme stejným způsobem (včetně proplachování) také vodivost roztoku 0,01M KCl . Během předchozího měření si začneme připravovat do 100 ml odměrných baněk roztoky kyseliny chlorovodíkové a octové o sedmi koncentracích zahrnujících i koncentrace kyseliny chlorovodíkové a octové a ze zásobních roztoků. Roztoky připravujeme postupným zřeďováním koncentrovanějšího roztoku vždy 1 : 1 redestilovanou vodou. Temperovanou nádobku se sondou dobře propláchneme vodou a také prvním nejkoncentrovanějším roztokem HCl. Po dosažení teploty roztoku 25˚C vodivost odečteme. Všechny připravené roztoky kyseliny chlorovodíkové a octové proměříme stejným způsobem. jako první roztok HCl . Roztoky měříme od nejvyšších k nejnižším koncentracím. ? Protokol: odporová konstanta nádobky C. Tabulka 1: pro obě kyseliny naměřené a vypočtené hodnoty: c, G, k , l , 1/ l , , a. Společný graf 1: pro obě kyseliny: závislost l na c. Společný graf 2: pro obě kyseliny: závislost a na l. Společný graf 3: pro obě kyseliny závislost 1/l na součinu (u kyseliny octové doplnit regresní přímku). Dále: pro sledovanou teplotu měření experimentální a teoretická (viz vztah (6.7.) a Tabulka XI) hodnota l[o] kyselin. Pro kyselinu octovou experimentální hodnota z parametrů regresní přímky a teoretické hodnoty l[o] . Tabulka XI: Mezní iontové vodivosti při 25^o C Ion H^+ Cl^- l[o] [ ] 349,8 50,1 198,0 40,9 76,3 Orientační značky: & Úvod k skupině laboratorních úloh $ Teorie a vztahy k vyhodnocení úlohy ? Úkol (otázka na níž odpovídá závěr laboratorní úlohy) " Přístroje, potřeby a chemikálie potřebné k provedení úlohy G Důležitá informace nebo upozornění 2 Pracovní postup : Způsob vyhodnocení ? Co nezapomenout uvést v protokolu (viz obecná osnova v kap. 13)