Электропроводность растворов электролитов

Электропроводность растворов является одним из основных показателей поведения электролитов в растворённой фазе. Она отражает способность раствора проводить электрический ток за счёт движения ионов, образующихся при диссоциации электролита.

1. Физическая природа электропроводности

Электропроводность раствора обусловлена мобильностью ионов, которые при приложении электрического поля перемещаются к соответствующим электродам: катионы к катоду, а анионы к аноду. Полная проводимость зависит от концентрации ионов, их заряда, размера и вязкости растворителя.

Формула удельной проводимости раствора:

κ = ∑iciziFμi

где:

  • ci — концентрация i-го иона,
  • zi — заряд иона,
  • F — постоянная Фарадея,
  • μi — подвижность иона в данном растворителе.

Удельная проводимость измеряется в Сименсах на метр (См/м).

2. Молярная и удельная проводимость

Удельная проводимость (κ) отражает способность конкретного раствора проводить ток на единицу длины и сечения между электродами.

Молярная проводимость (Λm) определяется как проводимость одного моля электролита:

$$ \Lambda_m = \frac{\kappa}{C} $$

где C — молярная концентрация электролита. Молярная проводимость позволяет сравнивать электропроводность растворов с различной концентрацией.

3. Зависимость проводимости от концентрации

Для сильных электролитов проводимость с увеличением концентрации раствора сначала увеличивается, однако при высокой концентрации наблюдается эффект ионного взаимодействия, который приводит к уменьшению молярной проводимости. Это связано с уменьшением подвижности ионов из-за электростатического экранирования.

Для слабых электролитов с ростом концентрации молярная проводимость растёт, так как увеличивается степень диссоциации, которая является функцией концентрации и равновесия:

HA ⇌ H+ + A−

Молярная проводимость слабого электролита (Λm) зависит от степени диссоциации α:

Λm = αΛ0

где Λ0 — предельная молярная проводимость при бесконечно разбавленном растворе.

4. Предельная молярная проводимость

Предельная молярная проводимость (Λ0) определяется для бесконечно разбавленных растворов, где ионы не взаимодействуют друг с другом и подвижность максимальна.

Для сильных электролитов используется уравнение Кольрауша:

Λ0 = λ+0 + λ−0

где λ+0 и λ−0 — предельные молярные ионные проводимости катиона и аниона соответственно.

Для слабых электролитов предельная молярная проводимость позволяет рассчитать константу диссоциации Ka через:

$$ \alpha = \frac{\Lambda_m}{\Lambda_0}, \quad K_a = \frac{C \alpha^2}{1-\alpha} $$

5. Факторы, влияющие на электропроводность

  1. Концентрация электролита — увеличение концентрации повышает общее число ионов, но при высоких концентрациях увеличиваются ионы взаимодействия, что снижает подвижность.
  2. Температура — с ростом температуры увеличивается тепловая подвижность ионов, а следовательно, электропроводность растёт.
  3. Вязкость растворителя — чем выше вязкость, тем меньше подвижность ионов. Для водных растворов при 25 °C влияние вязкости незначительно, но для органических растворителей может быть критическим.
  4. Природа растворителя — дипольный момент и способность образовывать сольватационные оболочки сильно влияют на подвижность ионов.

6. Методики измерения электропроводности

Электропроводность измеряется с помощью кондуктометров, включающих ячейку с электродами, через которые пропускается переменный ток. Основные параметры:

  • Коэффициент ячейки — отношение расстояния между электродами к площади поперечного сечения.
  • Частота переменного тока — используется для уменьшения поляризационных эффектов на электродах.
  • Температурная стабилизация — электропроводность сильно зависит от температуры.

7. Применение электропроводности

Электропроводность растворов позволяет:

  • Определять концентрацию ионов и степень диссоциации слабых электролитов.
  • Изучать реакции ионного обмена и образование комплексов.
  • Контролировать чистоту воды и технологических растворов.
  • Исследовать ионную силу растворов и её влияние на скорость химических реакций.

Электропроводность является фундаментальным инструментом для понимания поведения электролитов в растворе и изучения их взаимодействий на молекулярном уровне.

Оглавление