14 7
в) расчет количества электричества по формуле Q = I∙t;
г) определение количества электричества планометрическим методом.
14 8
Тест 47.
Из чего электрогенерируется титрант при кулонометрическом титровании гидроксида натрия? а) из соли фонового электролита;
б) из воды;
в) из вспомогательного вещества, обладающего кислотными свойствами; г) из материала рабочего электрода.
Тест 48.
Какие электроды можно использовать в кулонометрии в качестве рабочих? а) металлические электроды первого рода; б) мембранные электроды; в) металлические электроды второго рода;
г) инертные электроды.
Тест 49.
Как достигается 100 %-ный выход по току в методах кулонометрического титрования? а) введением фонового электролита; б)поддержанием постоянной силы тока на уровне предельного диффузионного тока определяемого вещества;
в)введением 1000-кратного избытка вспомогательного вещества по
отношению к определяемому веществу;
г) поддержанием постоянного значения потенциала рабочего электрода.
Тест 50.
Какую функцию выполняет фоновый электролит в электролитической ячейке? а) электролит повышает скорость основной электрохимической реакции; б) фоновый электролит участвует в электрохимической реакции на рабочем электроде;
в) фоновый электролит повышает электропроводность раствора и силу
тока в цепи;
г) фоновый электролит устраняет миграционный ток.
Тест 51.
Рассчитайте ЭДС электрохимической ячейки:
Рt| VO
2+
(0,25м), V
3+
(0,1м),H
+
(0,001м) || Тi
3+
(0,1м), Тi
+
(0,05м) |Рt, если Е
0
VO
2+/
V
3+
= 0,361В; Е
0
Тi
3+
/
Тi
+
= 1,25 В.
14 9
Определите, является ли она гальваническим элементом или электролитической ячейкой?
а) гальванический элемент, ЭДС = + 1,23
В; б) электролитическая ячейка, ЭДС = – 1,23
В; в) гальванический элемент, ЭДС = + 1,29
В; г) электролитическая ячейка, ЭДС = + 1,29
В.
КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Вопросы и ответы
Вопрос 232.
Как классифицируются методы кондуктометрии в зависимости от условий проведения анализа?
Ответ. Методы кондуктометрии делятся на постоянно-токовые и переменно-токовые. Переменно-токовые методы могут быть низкочастотными (частота тока < 10 5
Гц) и высокочастотными (>1М Гц).
Различают контактную и бесконтактную кондуктометрию. Наиболее распространены контактные низкочастотные и бесконтактные высокочастотные методы.
Вопрос 233.
Назовите аналитический сигнал, используемый в методах кондуктометрии.
Ответ. Аналитическим сигналом в кондуктометрии может быть электропроводность (W) или величина обратная ей – сопротивление раствора (R).
Вопрос 234.
Назовите единицы измерения электрической проводимости.
Ответ. В Международной системе единиц (СИ) электрическая проводимость измеряется в сименсах (См). Допускается использование единицы Ом
–1
Вопрос 235.
Анализ каких систем целесообразно проводить с использованием методов кондуктометрии?
Ответ. Методы кондуктометрии применяются для анализа электролитов в виде истинных (водных и неводных) и коллоидных (суспензий, эмульсий) растворов.
15 0
Вопрос 236.
Объясните сущность процесса электропроводности растворов электролитов.
Ответ. Перенос электричества в растворах электролитов осуществляется перемещением катионов и анионов к электродам ячейки в соответствии со знаками зарядов ионов.
Вопрос 237.
От чего зависит электропроводность раствора электролита?
Ответ. Электропроводность зависит от природы электролита (степени диссоциации, подвижности ионов), от его концентрации, от природы растворителя (диэлектрической проницаемости, вязкости), температуры и напряженности электрического поля, от размеров и формы сосуда кондуктометрической ячейки.
Вопрос 238.
Дайте определение удельной электропроводности. В каких единицах измеряется эта величина?
Ответ. Удельная электропроводность (æ) равна электропроводности раствора, заключенного между параллельными электродами площадью 1м
2
при расстоянии 1м между ними. Эта величина обратная удельному сопротивлению (ρ) (æ = 1/ρ).
Единицей измерения удельной электропроводности является См ∙ м
–1
В практике аналитических измерений допускается использование единиц
Ом
–
1
∙ м
–1
, мкСм ∙см
–1
и др.
Вопрос 239.
Почему для сравнительной оценки электрической проводимости используется величина удельной электропроводности?
Ответ. Удельная электропроводность — универсальный критерий оценки электропроводности, величина которого не зависит от размеров и формы сосуда и определяется только концентрацией и подвижностью ионов исследуемого раствора.
Вопрос 240.
Почему методы прямой кондуктометрии характеризуются низкой избирательностью?
Ответ. Методы прямой кондуктометрии основаны на измерении удельной электропроводности, которая является аддитивной величиной и определяется суммарным вкладом всех электропроводящих составляющих раствора. Поэтому такие методы обладают низкой избирательностью и не дают информацию о содержании каждого из компонентов системы.
Вопрос 241.
15 1
Опишите состав и строение электродов кондуктометрической ячейки.
Ответ. Кондуктометрическая ячейка представляет собой стеклянный сосуд с двумя идентичными неполяризуемыми электродами, которые изготовлены из одного инертного материала (платины, графита или нержавеющей стали), имеют одинаковую площадь и жестко закреплены параллельно друг другу.
Вопрос 242.
Назовите основные методы определения удельной электропроводности.
Ответ. Удельная электропроводность измеряется кондуктометрами или рассчитывается по формуле:
æ = К /R , где К – константа сосуда; R – сопротивление сосуда.
Вопрос 243.
Что такое константа сосуда кондуктометрической ячейки и как она определяется?
Ответ. Константа сосуда (К) – это постоянная величина, характеризующая основные геометрические параметры сосуда, которая может быть рассчитана по формуле:
К = L/S, где L – расстояние между электродами; S – площадь электродов.
Однако эта формула не учитывает формы сосуда и электродов, объем раствора и изменение активной поверхности электродов при платинировании. Поэтому константа сосуда определяется экспериментально по электрической проводимости стандартных растворов хлорида калия с известной удельной электропроводностью.
Вопрос 244.
Как зависит удельная электропроводность от концентрации раствора?
Ответ. В области разбавленных растворов удельная электропроводность возрастает пропорционально увеличению концентрации, достигая максимального значения в области умеренно концентрированных растворов, При дальнейшем увеличении концентрации удельная электропроводность уменьшается. Максимум электропроводности зависит от природы электролита и температуры.
Вопрос 245.
Укажите область концентраций, в которой функциональная зависимость
15 2
æ = f (c) имеет линейный характер. Как используется эта зависимость в кондуктометрическом анализе?
Ответ. В области разбавленных и умеренно концентрированных растворов
(до 5-10 моль/дм
3
) зависимость æ = f(c) имеет линейный характер. Анализ таких растворов осуществляется методом прямой кондуктометрии на основе построения градуировочного графика.
Вопрос 246.
Объясните характер зависимости удельной электропроводности от концентрации раствора.
Ответ. В разбавленных и умеренно концентрированных растворах удельная электропроводность с увеличением концентрации возрастает за счет увеличения числа ионов в растворе. В области концентрированных растворов возрастают силы межионного взаимодействия, происходит образование межионных ассоциатов или ионных пар, увеличивается вязкость раствора, вследствие чего снижается скорость движения ионов и удельная электропроводность уменьшается.
Вопрос 247.
Как зависит электропроводность раствора от температуры? Объясните эту зависимость.
Ответ. С увеличением температуры на 1℃ электропроводность возрастает в среднем на 2–2,5 % за счет уменьшения вязкости раствора, повышения подвижности ионов и увеличения степени диссоциации молекул.
Вопрос 248.
Напишите формулу, устанавливающую зависимость удельной электропроводности от температуры.
Ответ. Зависимость удельной электропроводности от температуры описывается формулой:
æ t
=
æ
0
∙
(1+ ????t+????????
2
), где
æ t и
æ
0
– удельная электропроводность при температуре t и 0℃;
???? и ????– коэффициенты, зависящие от природы электролита и его концентрации.
Вопрос 249.
Дайте определение эквивалентной электропроводности. В каких единицах измеряется эта величина?
15 3
1
Э
Ответ. Разбавленные растворы индивидуальных веществ характеризуются эквивалентной электропроводностью (λ), которая равна удельной электропроводности раствора, содержащего 1кмоль
Э
растворенного вещества. Эквивалентная электропроводность измеряется в
См∙м
2
∙кмоль
Э
–1
или Ом
–1
∙м
2
∙кмоль
Э
–1
.Допускается использование размерностей См∙см
2
∙моль
–1
или Ом
–1
∙см
2
∙моль
Э
–1
Вопрос 250.
Как рассчитывается эквивалентная электропроводность?
Ответ. Эквивалентную электропроводность измерить экспериментально нельзя. Ее значение рассчитывается на основе результатов измерения удельной электропроводности:
λ =
æ
,
С (
????
X) где
λ
– эквивалентная электропроводность, См∙м
2
∙кмоль
Э
–1
;
æ
– удельная электропроводность, См ∙ м
–1
;
С (
1
X)
– молярная концентрация эквивалента, моль /дм
3
z
Вопрос 251.
Как изменяется эквивалентная электропроводность раствора в зависимости от концентрации электролита?
Ответ. Эквивалентная электропроводность увеличивается с понижением концентрации, достигая максимального значения при концентрациях, близких к предельному разбавлению (для сильных электролитов при концентрации менее 0,0001 моль /дм
3
, в отдельных случаях менее
0,001 моль/дм
3
). Эффект повышения электропроводности c уменьшение концентрации возрастает с уменьшением силы электролита.
Вопрос 252.
Объясните причины уменьшения эквивалентной электропроводности с ростом концентрации электролита.
Ответ.
Согласно теории
Дебая-Хюккеля-Онзагера уменьшение эквивалентной электропроводности растворов с ростом концентрации объясняется возникновением вокруг каждого иона ионной атмосферы, состоящей из ионов противоположного знака, которая вызывает эффекты электрофоретического и релаксационного торможения ионов. Причиной электрофоретического торможения является противоположно направленное движение ионов и ионной атмосферы в поле внешнего источника тока.
Релаксационное торможение обусловлено чередующимися процессами разрушения и формирования ионной атмосферы. Для слабых электролитов
Э
15 4 с разбавлением раствора эффекты торможения возрастают за счет усиления диссоциации электролита.
15 5
Вопрос 253.
Что такое подвижность ионов? Как связана эта величина с абсолютной скоростью иона?
Ответ. Подвижность (
u
) или предельная эквивалентная электропроводность ионов – это характеристика движения ионов в электрическом поле, которая отражает их специфическое участие в электропроводности электролита. Она не зависит от напряженности поля и рассчитывается как произведение числа Фарадея (F) на абсолютную скорость иона(V): u
= F∙V. (Под абсолютной скоростью понимается скорость иона в стационарном состоянии при градиенте напряженности электрического поля 1В).
Вопрос 254.
Какие факторы определяют подвижность ионов?
Ответ. Подвижность ионов зависит от природы иона, температуры, вязкости и диэлектрической проницаемости среды. (Концентрация раствора и напряженность электрического поля не влияют на ее величину).
Зависимость подвижности иона от его радиуса, заряда и вязкости среды определяется формулой: u =
????∙е
,
6????∙????∙???? где ???? ∙ е – заряд иона; ????– радиус иона; ????– коэффициент вязкости среды.
Вопрос 255.
Объясните влияние природы ионов на их подвижность.
Ответ. В теории электропроводности критерием поляризационной способности ионов к диполям растворителя являются заряд и радиус иона.
С увеличением заряда и уменьшением размера иона усиливается его поляризующее действие, что приводит к увеличению размера сольватированного иона и уменьшению его подвижности.
Вопрос 256.
Как используются значения подвижности ионов в кондуктометрическом анализе?
Ответ. На основе значений подвижности ионов по закону Кольрауша можно определить предельную эквивалентную электропроводность(λ
0
), по которой рассчитываются электропроводность раствора, степень и константа диссоциации электролита. Сопоставление подвижности ионов, участвующих в кондуктометрическом титровании, позволяет прогнозировать ход кривых кондуктометрического титрования.
15 6
Вопрос 257.
15 7
Почему электропроводность кислоты выше электропроводности солей, содержащих анион этой же кислоты?
Ответ. Электропроводность кислоты выше электропроводности солей, содержащих одноименный анион, за счет того, что подвижность протона выше подвижности любого катиона.
Вопрос 258. Объясните причину аномально высокой подвижности протонов и гидроксидных ионов.
Ответ. Согласно теории эстафетного механизма аномально высокая подвижность протонов объясняется перемещением их во внешнем электрическом поле не только за счет миграции, но также за счет переноса протонов в направлении силового поля по принципу эстафеты от ионов гидроксония к соседним молекулам воды. Аналогичные процессы происходят и при перемещении гидроксидных ионов.
Вопрос 259.
Дайте определение и назовите отличительные особенности предельной эквивалентной электропроводности раствора.
Ответ. Предельная эквивалентная электропроводность (λ
0
)
– это эквивалентная электропроводность предельно разбавленного раствора
(C→0). Она не зависит от концентрации раствора, условий эксперимента и при заданной температуре является постоянной величиной.
Вопрос 260.
Как связана предельная эквивалентная электропроводность раствора с подвижностью ионов электролита?
Ответ. Взаимосвязь между предельной эквивалентной электропроводностью и подвижностью ионов электролита устанавливает закон Кольрауша: при достижении предельного разбавления межионные взаимодействия исчезают, ионы движутся независимо друг от друга и общая электропроводность раствора (λ
0
) равна сумме подвижностей катионов ( λ
0
+
) и анионов (λ
0
–
):
λ
0
= λ
0
+
+ λ
0
–
,
Вопрос 261.
Как в аналитической практике определяется величина предельной эквивалентной электропроводности раствора?
Ответ. Для сильных электролитов величина предельной эквивалентной электропроводности определяется графически
– экстраполяцией прямолинейной зависимости λ = f ( с ) до пересечения с осью ординат. Для слабых электролитов λ
0
находят расчетным путем по закону Кольрауша.
Вопрос 262.
15 8
0 0
0 0
Как по величине предельной эквивалентной электропроводности можно оценить электропроводность раствора с заданной концентрацией?
Ответ. Зная молярную концентрацию эквивалента
С (
1
X), табличные
???? значения подвижности ионов
(λ
0
+
,λ
0
-
) и степень диссоциации электролита ???? , можно провести ориентировочный расчет удельной электропроводности разбавленных растворов по формулам :
æ =
(λ
+
+ λ
–
)
∙ С (
1
X)
(для сильных электролитов)
????
æ =
???? (λ
+
+ λ
–
)
∙ С (
1
X) (для слабых электролитов).
????
Вопрос 263.
Опишите электрическую схему и принцип действия кондуктометрической установки для измерения электропроводности электролитов.
Ответ. Схема прибора для измерения электропроводности основана на четырехплечной мостиковой схеме
Уинтстона для измерения сопротивления в приборе Кольрауша. Одним из сопротивлений мостовой схемы является сопротивление измерительной ячейки (R
x
), второе плечо образует постоянное сопротивление R
2
, третье и четвертое (R
3
и R
4
) – переменные плечи проволочного реохорда. Мостиковая схема работает по компенсационному методу, при котором за счет изменения соотношения R
3
и R
4
достигается омическое равновесие моста, фиксируемое по отсутствию тока разбаланса в измерительной диагонали. Условие равновесия моста определяется соотношением R
х
/R
2
= R
3
/R
4
, на основании которого рассчитывается сопротивление ячейки (R
x
= R
2
∙R
3
/ R
4
) и электропроводность анализируемого раствора (W
x
=1/ R
x
).
Вопрос 264.
Почему при проведении кондуктометрических измерений необходимо использовать переменный ток?
Ответ. Переменный ток позволяет исключить явления поляризации электродов и электролиза исследуемого раствора, возникающие в поле постоянного тока. Это гарантирует правильность и надежность кондуктометрических измерений.
Вопрос 265.
Как предотвращается поляризация электродов в методах кондуктометрии?
Ответ. Для предотвращения поляризации электродов в кондуктометрии используется переменный ток высокой частоты и малой плотности. Низкая плотность тока достигается увеличением поверхности электродов путем их платинирования.
15 9
Вопрос 266.
16 0
Как проводятся аналитические измерения методом прямой кондуктометрии?
Ответ. Аналитические измерения методом прямой кондуктометрии проводятся на основе градуировочного графика æ = f (С), линейного в узком диапазоне концентраций разбавленных растворов. При работе с очень разбавленными растворами может быть использован расчетный метод, позволяющий по величине удельной электропроводности (æ) и подвижности ионов электролита (λ
0
+
, λ
0
–
) рассчитать молярную концентрацию эквивалента
С (
1
X) по формуле:
????
С (
1
X) = æ /(λ
+
+ λ
–
).
Вопрос 267.
????
0 0
Назовите основные достоинства и недостатки методов прямой кондуктометрии.
Ответ. Достоинством прямой кондуктометрии являются высокая чувствительность (10
–4
– 10
–5
моль/дм
3
) и точность (0,1–2 %). Анализ выполняется просто и быстро. Недостатком метода является низкая селективность.
Вопрос 268.
Укажите область применения прямой кондуктометрии.
Ответ. Методы прямой кондуктометрии используются для анализа разбавленных и умеренно концентрированных растворов индивидуальных веществ. В сложных системах методы применимы только при постоянной концентрации фоновых примесей. В аналитической практике прямая кондуктометрия применяется для контроля качества дистиллированной воды, оценки загрязненности сточных вод и для определения общего солесодержания минеральных, морских и речных вод.
Вопрос 269.
От чего зависит вид кривой кондуктометрического титрования?
Ответ. Вид кривой кондуктометрического титрования зависит от числа ионов, участвующих в процессе титрования, их заряда и подвижности.
Вопрос 270.
Опишите вид кривой кондуктометрического титрования кислоты щелочью.
Ответ. Кривые кондуктометрического титрования кислоты щелочью имеют V–образную форму и представляют собой две прямые линии, пересекающиеся в точке эквивалентности.
Вопрос 271.