Прямая кондуктометрия

Министерство образование  и науки Российской Федерации

Уральский государственный  лесотехнический университет

Кафедра «Общей и неорганической химии»

 

 

 

 

 

 

Реферат

Прямая кондуктометрия

 

 

 

 

 

 

Разработал

студент ИЭФ-34                                       Гирева А. С.

Руководитель проекта                             Антоненко Е. Ю.

Заведующий кафедрой                            Вураско А. В.

 

 

 

 

Екатеринбург, 2011 г

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………….3

1.Основные законы и  формулы……………………………………………4

2. Методы кондуктометрии………………………………………………..6

3.Прямая кондуктометрия…………………………………………………8

4. Применение, достоинства и недостатки прямой кондуктометрии….10

Заключение………………………………………………………………..12

Список литературы…………………………………………………….....13

 

Введение

Кондуктометрия (от англ. conductivity — электропроводность и и греч. metreo - измеряю) — совокупность электрохимических методов анализа, основанных на измерении электропроводности растворов.

Основатель этого метода – немецкий физик Кольрауш, который впервые  в 1885 г. предложил уравнение зависимости  электропроводности растворов сильных  электролитов от концентрации.

Кондуктометрия применяется для  определения концентрации растворов  солей, кислот, оснований, для контроля состава некоторых промышленных растворов.

Кондуктометрический анализ основан  на изменении концентрации вещества или химического состава среды  в межэлектродном пространстве; он не связан с потенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению. Кондуктометрия включает прямые методы анализа (используемые, например, в солемерах) и косвенные (например, в газовом анализе) с применением  постоянного или переменного  тока (низкой и высокой частоты), а также хронокондуктометрию, низкочастотное и высокочастотное титрование.

Целью денной работы является изучение методов прямой кондуктометрии, применение этого метода, его достоинства  и недостатки.

 

 

1. Основные законы и формулы

Кондуктометрический метод  анализа основан на измерении  электропроводности анализируемого раствора.

Электропроводность растворов  обусловлена диссоциацией растворенного  вещества и миграции образующихся ионов под действием внешнего источника напряжения.

    Движущиеся ионы  в поле электрического тока  испытывают тормозящее действие  со стороны молекул растворителя  – релаксационный эффект –  и со стороны противоположно  заряженных ионов –электрофоретический  эффект. В результате этих торможений  раствор оказывает сопротивление  про-

хождению электрического тока. То есть электропроводность (W) –  это величина обратная сопротивлению:

 

 Единицей измерения  электропроводности является Ом^-1 или сименс (См). Растворы электролитов, являясь проводниками II рода, подчиняются закону Ома. По аналогии с сопротивлением проводников I рода, сопротивление раствора прямо пропорционально расстоянию между электродами l и обратно пропорционально площади их поверхности S:

R = ρ (l / S),

где R - удельное сопротивление (Ом ^. см).

При l = 1 см и S = 1 см² имеем R= ρ, следовательно, удельное сопротивление равно сопротивлению 1 см³ раствора, находящегося между двумя параллельными пластинами площадью 1 см², отстоящими друг от друга на 1 см.

   Зависимость электропроводности  от концентрации выражается уравнением

 

,

 

где K – коэффициент пропорциональности; S – площадь электродов; с – концентрация ионов; U – подвижность ионов; l – расстояние между электродами.

    Для данной  пары электродов при S , L = const получим:

 

 

 

Различают удельную (χ) и эквивалентную электропроводность (λ).

Величину, обратную удельному  сопротивлению, называют удельной электропроводностью  χ = 1/ρ. Удельная электропроводность (См ^. см^-1) численно равна току (в амперах) , проходящему через слой раствора с поперечным сечением, равным единице, под действием градиента потенциала 1 В на единицу длины.

Электропроводность разбавленных растворов электролитов зависит  от числа ионов в растворе (т.е. от концентрации), числа элементарных зарядов, переносимых каждым ионом (т. е. от заряда иона), и от скорости движения одинаково заряженных ионов  к катоду или аноду под действием  электрического поля. С учетом всех этих факторов электропроводящие свойства ионов характеризуют эквивалентной  ионной электрической проводимостью (подвижностью).

Эквивалентной электрической  проводимостью называют проводимость раствора, содержащего 1 моль эквивалента  вещества и находящегося между двумя параллельными электродами, расстояние между которыми 1 см. Ее единицей измерения является См ^. см^{2 .} моль^-1.

Удельная и эквивалентная проводимость связаны соотношением:

λ = 1000 χ / с,

где с – молярная концентрация эквивалента, моль-экв/л.

Таким образом, в кондуктометрии аналитическим сигналом является электропроводность.

 

2. Методы кондуктометрии

Кондуктометрия - совокупность электрохимических методов анализа, основанных на измерении электропроводности жидких электролитов, которая пропорциональна их концентрации. Методы кондуктометрии бывают постояннотоковые и переменнотоковые. Последние могут быть низкочастотными (частота тока <10⁵ Гц) или высокочастотными (>10⁵ Гц). Различают контактную и бесконтактную кондуктометрию в зависимости от наличия или отсутствия контакта между электролитом и входными цепями измерительного прибора. Наиболее распространены контактный низкочастотный и бесконтактный высокочастотный методы.

Контактные методы. Измерения проводят с помощью контактных ячеек (рис.1, а). При этом используют электроды  из Pt, Ti, нержавеющей стали и др. Для измерения растворов с  высокой концентрацией электролита (10^-2-10^-3 М) применяют платинированные электроды с развитой поверхностью.

Рис. 1. Кондуктометрические ячейки и их эквивалентные электрические  схемы: a-контактная ячейка; б-емкостная ячейка;                            в-индуктивная ячейка.

На рис. 1: R-сопротивление электролита; С₁-емкость двойного электрического слоя на межфазной границе электрод - электролит; С₂-емкость раствора; С₃-емкость конденсатора, образованного раствором, стенкой ячейки и внешним электродом; Z_ф-фарадеевский импеданс, связанный с протекающей на границе электрод-электролит электрохимической реакцией; L₁ и L₂-индуктивности соотв. электролита и катушки.

В косвенной кондуктометрия, позволяющей  исследовать смеси электролитов, наряду с электропроводностью растворов  измеряют рефракцию, вязкость, рН, плотность  или др. величины. Например, при анализе  промышленных нитрующих смесей, содержащих H₂SO₄, HNO₃ и Н₂О, дополнительно измеряют плотность. По совокупности всех экспериментальных данных определяют количеств, состав смеси.

В прямой кондуктометри непосредственно  определяют концентрацию электролита  по χ его раствора (если между этими величинами имеется линейная зависимость).

 

3. Прямая кондуктометрия

Прямой кондуктометрией называют метод определения различных  физико-химических величин на основе электрической проводимости раствора.

В прямой кондуктометрии физико-химическую величину находят по одному измерению  удельной электрической проводимости при заданной температуре. Прямой кондуктометрический метод анализа основан на зависимости удельной электропроводности χ от концентрации С (схема Кольрауша). Для этого готовят стандартные растворы электролита, строят градуированный график в координатах χ = f(C). Затем определяют электропроводность анализируемого раствора и по графику и находят его концентрацию (рис.2).

В практической работе обычно используют заранее построенную градуировочную кривую зависимости электрической  проводимости раствора от концентрации тех или иных электролитов. В связи  с относительно близкими значениями подвижностей ионов кондуктометрические  измерения дают информацию главным  образом лишь об общей концентрации ионов в растворе.

 

  

Рис. 2 Зависимость удельной электропроводности электролитов от концентрации  а) 1 – H₂SO₄, 2 – KOH, 3 – CH₃COOH; б) H₂SO_4, NaOH, NaCl; в) LiCl, NaCl, KCl.

Несмотря на высокую точность и простоту, кондуктометрический метод анализа не нашел большого распространения в аналитической практике. Это связано с тем, что кондуктометрический метод анализа  не является специфичным, т.е. χ = ∑χ_i, его электропроводность определяется суммой электропроводностей всех ионов, находящихся в растворе. Поэтому даже наличие малейших примесей искажает результаты. Определение веществ в присутствии других электролитов возможно, если концентрации последних постоянны. Тем не менее методом прямого кондуктометрического метода анализа можно измерять χ, а затем вычислять:

1. Константу диссоциации (К_дисс) слабого электролита;

2. Произведение растворимости (ПР) малорастворимых соединений;

3. Константу нестойкости (К_нест) комплексных соединений;

4. Электрохимические показатели растворов (χ, λ, α);

5. рН растворов кислот и оснований.

Однако сложности зависимости  электропроводимости от концентрации существенно отражаются на этом методе. С ростом концентрации электропроводность вначале растет, а при более высоких концентрациях (> 3н) резко уменьшается. Этот метод применим для анализа разбавленных растворов.

4. Применение, достоинства и недостатки прямой кондуктометрии.

Метод нашел ограниченное применение, так как он неселективен, т. е. электропроводность – величина аддитивная, обусловленная присутствием всех ионов.

На методе прямой кондуктометрия основаны конструкции солемеров  и других кондуктометрических устройств, позволяющих определять олеум, а также различных соли в минеральной, речной и морской водах, физиологических жидкостях и др.

 Прямую кондуктометрию  применяют при контроле регенерации ионитов, очистки воды, промывки осадков, при оценке качества вин, соков и других напитков, чистоты органических растворителей, газов, твердых солей, текстильных материалов, бумаги, зерна, почвы и т.д. Часто анализируемые образцы предварительно сжигают, а выделяющиеся газы поглощают подходящими растворами. По электропроводности поглотителей определяют количества газов (в частности, СО₂, NO₂, SO₂), следовательно - содержание соответствующих элементов, например С, N, S, в металлах, сплавах и органических соединениях.

Нередко его сочетают с  другими методами, такими как потенциометрия, рефрактометрия, хроматография.

Достоинствами данного  метода являются:

1. высокая чувствительность (нижняя граница определяемых концентраций ~10^-4-10^-5 М);
2. достаточно высокая точность (относительная погрешность определения 0,1-2%);
3. простота методик;
4. доступность аппаратуры;
5. возможность исследования окрашенных и мутных растров
6. автоматизации анализа;
7. быстрота проведения анализа.

Недостатки этого метода: малая селективность кондуктометрического метода, которая существенно ограничивает его применение, а так же возникновение ошибок за счет примесей постороннего электролита.

 

Заключение

Аналитическое использование  кондуктометрии обладает характерными чертами, связанными с низкой селективностью кондуктометрического детектирования. В самом деле, близкие значения эквивалентных электропроводностей  ионов не позволяют говорить о  том, что какой-либо ион может  целиком определять электропроводность всего раствора. Таким образом, измерения  электропроводности может приносить  реальную аналитическую пользу только в том случае, если соотношение  ионов в анализируемой смеси  неизменно от пробы к пробе. Это, так называемая, задача определения  разбавления исходного раствора.

Достоинств у данного  метода больше, чем недостатков. Этот метод нашел применение во многих отраслях, прежде всего он используется для непрерывного контроля производства: качества пищевых продуктов, определения влажности различных материалов (бумаги, газов, зерна, текстильных материалов) и широко применяется для определения общего солевого состава воды (речной, минеральной, дистиллированной).