Электрохимия

Тема 6: Электрическая проводимость и подвижность ионов

Задача № 1

Для 0,01 М раствора хлорида калия ρ = 709,22 Ом·см. Вычислите удельную и молярную электрические проводимости.

Решение:

1)

2) Молярная электрическая проводимость рассчитывается по формуле

Задача № 2

Ток в 0,1 А в течение 2 час проходил через водный раствор цианида меди CuCN. На катоде выделилось 0,3745 г меди и наблюдалось выделение Н₂ (н.у.: 1 атм, 273 ⁰С). Какой выход по току при получении меди (ψ_Сu) и каков объем выделившегося газа, если нет других побочных процессов?

Решение

1. Электрохимические реакции:

Основной процесс.

Побочный процесс:

2. Определим выход по току

По закону Фарадея:

Следовательно, на восстановление водорода пошло 100 – 78,4 = 21,6 % от общего количества тока I.

3. Рассчитываем массу водорода:

4. При н.у., полагая, что Н₂ – идеальный газ, получаем:

Задача № 3

Анилин получается на свинцовом катоде в кислой среде по уравнению:

С₆H₅NO₂ + 6e + 6H⁺ = C₆H₅NH₂ + 2H₂O

Выход по току 90%, напряжение 1 В. Найдите объем выделившегося водорода при Т = 298 К и Р = 0,9·10⁵ Па, если получен 1 кг анилина. Определить расход энергии в кВт-час.

Решение:

1) Найдем расход энергии:

Из второго закона Фарадея выразим Iτ:

2) Расчет объема выделившегося Н₂

Задача № 4

По нижеприведенным данным найти предельную электропроводность соли KClO₃ при 18 ⁰С:

электролит	NaClO3	KCl	NaCl
λ∞·10^4 Ом^-1м^2/моль	98,5	130,1	109

Чему равна подвижность хлорат – ионов, если число переноса для него в KClO₃ равно 0,462

Дано:

Т = 18⁰С = 291 К,

n_ = t_ = 0,462

________________________________________________

Найти: λ _∞.,KClO3 – ? λ _∞.,ClO3^- – ?

Решение:

В основу расчета положен закон Кольрауша независимого движения ионов.

Числа переноса

1. Найти значение λ _∞.,KClO3 можно сходя из λ _∞.,NaClO3, λ _∞.,KCl, λ _∞.NaCl.

3. 

Задача № 5

Измерение электрической проводимости 0,03 М раствора СН₃СООН проводился при l = 2·10^-2 м и площади электродов s = 3·10^-4 м². При напряжении в 10 В через раствор идет ток I = 4,3·10^-3 А при 298 К. Определить степень и константу диссоциации кислоты, если при этой температуре λ _∞,Н3О⁺ = 34,982 Ом^-1м²/кмоль и λ _{∞,СН3СОО}^- = 4,09 Ом^-1м²/моль. Определить рН.

Решение:

1) СН₃СООН+Н₂О ↔ СН₃СОО^- + Н₃О⁺ х₁

2) Н₂О + Н₂О ↔ Н₃О⁺ + ОН^- х₂

По 2 реакции [H₃O⁺] = K_w^0.5 = 10^-7 моль/л, значительно меньше, чем по 1 реакции; рН определяется 1 реакцией

1. Рассчитываем α:

2. Рассчитываем К_дис:

3. рН раствора:

Тема 7: Теория электролитической диссоциации. Слабые и сильные электролиты

Сильные электролиты диссоциируют нацело; диссоциация слабых электролитов характеризуется степенью диссоциации

α – степень диссоциации слабого электролита;

У сильных электролитов α ≈ 1.

Задача 1

Найти показатель константы диссоциации пропионовой кислоты С₂Н₅СООН по следующим данным: электропроводность 0,135 М раствора этой кислоты при 18 ⁰С равна 4,79·10^-2 Ом^-1м^-1, а электропроводность 0,001 М раствора пропионата натрия равна 7,54·10^-3 Ом^-1м^-1. Подвижность ионов натрия 44,4 Ом^-1м²/моль, а протона водорода – 318·10^-4 Ом^-1м²/моль.

Решение

Запишем выражение для К_д кислоты:

С2Н5СООН + Н2О↔С2Н5СОО^- + Н3О^+
с0,к − х	х	х
с0,к(1−α)	с0,к·α	с0,к·α

Тогда

1) и

2) Рассчитаем значение α = l_V/l_∞

Для расчета λ_∞ нет значения l_{∞, С2Н5СОО}^-. Найдем его, зная электропроводность соли, считая, что при концентрации 0,001 моль/л раствор достаточно разбавлен.

Диссоциация соли происходит нацело «нацело»

С₂Н₅СООNa↔С₂Н₅СОО^- + Na⁺

Расчет К_д пропионовой кислоты

В справочниках константы диссоциации К_д = К_а приводятся в шкале моль/л.

К_д по справочнику равно 1,34·10^-5, рК_а=4,874.

Задача № 2

Для уксусной кислоты рК_а = 4,756, а для монохлоруксусной – 2,870. Найти степень диссоциации, концентрацию ионов гидроксония Н₃О⁺ и значение рН 0,01 М растворов кислот. Какая необходима концентрация CH₃COOH, чтобы кислотность ее раствора равнялась кислотности 0,01 молярного раствора СН₂ClCOOH?

Решение:

Для одноосновных кислот:

Допускаем, что α<<1, тогда

1. СН₃СООН:

рК_а = рК_д = 4,756; lgК_а = − 4,756; К_а = 1,75·10^-5

Если α ≈ 0, то нужно решать квадратное уравнение

2. CH₂ClCOOH: рК_а = рК_д = 2,870; К_а = 1,35·10^-3

3. 

Задача № 3

Рассчитать концентрацию OH^- в 0,1 М растворе гидроксида аммиака, содержащем 1 моль хлорида аммония. Покажите, как изменится рН раствора NH₄OH при добавлении к нему NH₄Cl.

Решение:

Из справочника К_д,NH4OH = 1,77·10^-5, слабодиссоциируемое соединение, поэтому считается, что

1. Уравнения ионных реакций:

2. При добавлении 1 моль хлорида аммония, эта соль диссоциирует нацело (α=1)

Можно принять, что

Вывод: Добавление к раствору NH₄OH хлорида аммония равновесие сдвигается влево, концентрация гидроксид – ионов уменьшается, рН становится меньше.

Задача № 4

Записать уравнения ионных уравнений, условие материального баланса и условие электронейтральности, а так же найти концентрацию всех типов частиц в 0,005 М водном растворе метиламина.

Решение:

Из справочника К_В = 4,17·10^-4 – метиамин – слабое основание.

Уравнение ионных реакций:

Равновесные концентрации частиц:

Тогда

Сделаем допущения х₁>>х₂, отсюда

Решаем квадратное уравнение:

х_1,2 не имеет физического смысла.

С учетом этого:

Условие электронейтральности:

Уравнение материального баланса по катиону:

Задача № 5

Удельная электропроводность чистой воды при 307 К составляет 9,62·10^-6 Ом^-1м^-1. Вычислить константу ионизации, ионное произведение воды и рН.

Решение:

Реакция автопротолиза воды:

2Н₂О ↔ Н₃О⁺ + ОН^-

(С_о−х) х х

Константа автопротолиза воды

Константа ионизации воды

Ионное произведение воды K_w:

Удельная электропроводность воды

Подвижность при температуре Т можно найти через эмпирическую формулу:

где α – температурный коэффициент электропроводности

Рассчитаем λ_∞,Т.

Из справочника:

Найдем х:

Вычислим концентрацию воды:

Вычислим искомые величины:

2