Меню

Водные растворы солей проводит ток или нет

Электропроводность растворов

Установка для сравнения электропроводности растворовРис. 71. Установка для сравнения электропроводности растворов

Хорошими проводниками электрического тока, помимо металлов, являются расплавленные соли и основания. Способностью проводить ток обладают также водные растворы оснований и солей. Безводные кислоты — очень плохие проводники, но водные растворы кислот хорошо проводят ток. Растворы кислот, оснований и солей в других жидкостях в большинстве случаев тока не проводят, но и осмотическое давление таких растворов оказывается нормальным. Точно так же не проводят тока водные растворы сахара, спирта, глицерина и другие растворы с нормальным осмотическим давлением.

Различное отношение веществ к электрическому току легко иллюстрировать следующим опытом.

Соединим провода, идущие от осветительной сети, с двумя угольными или металлическими пластинками— электродами (рис. 71). В один из проводов включим электрическую лампу, позволяющую грубо судить о наличии тока в цепи. Погрузим теперь свободные концы электродов в сухую поваренную соль или безводную серную кислоту. Лампа не загорается, так как эти вещества не проводят тока и цепь остается незамкнутой.

Тоже самое происходит, если погрузить электроды в стакан с чистой дестиллированной водой. Но стоит только растворить в воде немного соли или прибавить к ней какой-нибудь кислоты или основания, как лампа тотчас же начинает ярко светиться. Свечение прекращается, если опустить электроды в раствор сахара, глицерина и т. п.

Сванте АррениусСванте Аррениус (1859—1927)

Таким образом, среди растворов способностью проводить ток обладают преимущественно водные растворы кислот, оснований и солей. Сухие соли, безводные кислоты и основания (в твердом виде) тока не проводят почти не проводит тока и чистая вода. Очевидно, что при растворении в воде кислоты, основания и соли подвергаются каким-то глубоким изменениям, которые и обусловливают электропроводность получаемых растворов.

Электрический ток, проходя через растворы, вызывает в них, так же как и в расплавах, химические изменения, выражающиеся в том, что из раствора выделяются продукты разложения растворенного вещества или растворителя. Вещества, растворы которых проводят электрический ток, получили название электролитов. Электролитами являются кислоты, основания и соли.

Химический процесс, происходящий при пропускании тока через раствор электролита, называется электролизом. Исследуя продукты, выделяющиеся у электродов при электролизе кислот, оснований и солей, установили, что у катода всегда выделяются металлы или водород, а у анода — кислотные остатки или гидроксильные группы, которые затем подвергаются дальнейшим изменениям. Таким образом, первичными продуктами электролиза оказываются те же составные части кислот, оснований и солей, которые при реакциях обмена, не изменяясь, переходят из одного вещества в другое.

Сванте Аррениус (Svante Arrhenius) — шведский ученый, физико-химик, родился 19 февраля 1859 г. Был профессором университета в Стокгольме и директором Нобелевского института. В результате изучения электропроводности растворов предложил в 1887 г. теорию, объясняющую проводимость электрического тока растворами кислот, щелочей и солей, получившую название теории электролитической диссоциации.

Аррениусу принадлежит также ряд исследовании по астрономии, космической физике и в области приложения физико-химических законов к биологическим процессам.

Вы читаете, статья на тему Электропроводность растворов

Источник

11.2. Электролиз водных растворов солей

Вы здесь

Несмотря на то что чистая вода не обладает высокой электропроводностью (ее проводимость 4.4·10 -4 Ом -1 ·см -1 при 20 °С), водные растворы солей (а также кислот и оснований) являются хорошими проводниками электричества. Химические реакции, протекающие на электродах в процессе электролиза, описаны ниже.

При прохождении электрического тока через водный раствор электролита наблюдаются явления, аналогичные происходящим при электролизе расплавленных солей (см. выше). Процесс слагается из следующих пяти стадий:

1) электроны подводятся к катоду генератором тока или аккумулятором;

2) электроны переходят с катода на близлежащие ионы или молекулы, вызывая катодную реакцию;

3) ток проходит через жидкость за счет движения ионов, находящихся в растворе;

4) электроны с ионов или молекул, находящихся в растворе, переходят на анод, вызывая анодную реакцию;

5) электроны уходят с анода к генератору тока или аккумулятору.

Рассмотрим разбавленный раствор хлорида натрия (рис. 11.2). Прохождение тока через этот раствор (стадия 3) очень похоже на процесс, протекающий в расплавленном хлориде натрия; в данном случае ионы натрия, находящиеся в растворе, передвигаются в направлении катода, а находящиеся в растворе хлорид-ионы движутся к аноду. В результате такого движения ионов отрицательный электрический заряд переносится от катода к аноду.

Однако реакции, протекающие на электродах в разбавленных растворах солей, существенно отличаются от реакций, протекающих в расплавленных солях. Электролиз разбавленного раствора соли приводит к образованию водорода на катоде и кислорода на аноде, тогда как при электролизе расплавленной соли образуются натрий и хлор.

Читайте также:  Реле тока для стиральной машины

На катоде протекает следующая реакция:

Два электрона, поступающие с катода, реагируют с двумя молекулами воды, образуя молекулу водорода и два иона гидроксила. Молекулярный водород образует пузырьки газообразного водорода (после того как раствор вблизи катода насытится водородом), а ионы гидроксила остаются в растворе.

На аноде протекает реакция

Четыре электрона переходят на анод с двух молекул воды, которая разлагается с образованием молекулы кислорода и четырех ионов водорода.

Рис. 11.2. Электролиз разбавленного водного раствора соли.

Эти электродные реакции, подобно другим химическим реакциям, могут протекать через различные стадии; предшествующее описание анодной реакции не следует толковать как точное отражение последовательности протекающих процессов.

Суммарную реакцию получают, умножая уравнение (11.6а) на 2 и суммируя с уравнением (11.6б)

электр. Катод Анод Анод Катод

Нетрудно заметить, что при электролизе раствора соли этот раствор в прианодной области становится кислым в результате образования ионов водорода, а в прикатодной — щелочным, поскольку здесь образуются ионы гидроксила. Следовательно, этот процесс можно использовать для получения кислот, таких, как соляная кислота, или оснований, подобных гидроокиси натрия.

Через некоторое время в этой системе (если ее выдержать) ионы водорода, образовавшиеся вблизи анода, и ионы гидроксила, образовавшиеся вблизи катода, станут диффундировать и, соединяясь, образуют воду

Эта реакция протекает, в частности, при перемешивании раствора электролита в процессе электролиза. В случае полного протекания реакции нейтрализации ионов водорода ионами гидроксила суммарную реакцию при электролизе можно записать в следующем виде:

элект. Катод Анод

При рассмотрении электродных реакций почти не учитывался тот факт, что электролитом служил хлорид натрия. Дело в том, что электродные реакции одинаковы почти для всех разбавленных водных растворов электролитов. Даже в том случае, если электроды опущены в чистую воду и к ним приложена разность потенциалов, возникают электродные реакции (11.6а) и (11.6б). Очень скоро, однако, вблизи катода создается достаточно высокая концентрация ионов гидроксила, а вблизи анода — ионов водорода, в связи с чем возникает обратная по знаку разность потенциалов, препятствующая протеканию реакции. Известно, что даже в чистой воде имеется небольшое количество ионов (Н + и ОН — ); эти ионы медленно передвигаются к электродам и нейтрализуют ионы (ОН — и Н + соответственно), образующиеся в результате электродных реакций. Ввиду того что небольшое количество ионов, присутствующих в чистой воде, может обеспечить прохождение лишь очень слабого тока между электродами, электролиз чистой воды идет крайне медленно.

Приведенные выше уравнения (11.6а) и (11.6б) свидетельствуют о том, что молекулы воды подвергаются разложению у электродов. Эти реакции, возможно, являются обычными молекулярными реакциями в нейтральных растворах солей. Однако в кислых растворах с высокой концентрацией ионов водорода на катоде может просто протекать реакция

а в щелочных растворах с высокой концентрацией ионов гидроксила на аноде может идти реакция

Ионы, присутствующие в растворе электролита, могут переносить значительно большее количество электричества между электродами, чем немногочисленные ионы, имеющиеся в чистой воде. При электролизе хлорида натрия ионы натрия в растворе передвигаются к катоду, где их положительные заряды компенсируют отрицательные заряды ионов гидроксила, образующихся в результате катодной реакции. Точно так же хлорид-ионы, приближаясь к аноду, компенсируют электрические заряды ионов водорода, образующихся в результате анодной реакции.

Тот факт, что в процессе электролиза образуются ионы водорода у анода, а ионы гидроксила у катода, можно установить при помощи лакмусовой бумаги или какого-либо другого индикатора.

Электролиз разбавленных водных растворов других электролитов очень похож на электролиз слабого раствора NаСl; при этих процессах на электродах образуются водород и кислород в газообразном состоянии. Поведение концентрированных растворов электролитов может быть иным; при электролизе концентрированного рассола (раствора хлорида натрия) на аноде наряду с кислородом выделяется и хлор. Этот факт нетрудно объяснить тем, что в концентрированном рассоле вблизи анода имеется огромное число хлорид-ионов и некоторые из них отдают свои электроны аноду, образуя затем молекулы хлора.

Источник

Водные растворы солей проводит ток или нет

Электропроводность растворов можно измерять с высокой точностью даже при крайне малой их концентрации; этим отчасти объясняется важное значение электропроводности в исследовании электролитов. На рис. Э. 11 представлены некоторые данные для 1:1-зарядных солей при 291 К; аналогичный график может быть построен и на основании других данных, полученных при 298 К. При концентрации около график зависимости измеренных значений А от представляет собой прямые линии, что согласуется с требованиями теории межионного взаимодействия Дебая—Хюккеля—Онзагера. Эти линии различаются лишь по наклону: он тем больше, чем выше А; и в этом отношении они количественно согласуются с уравнением Онзагера (см. уравнения электропроводности). Согласие с теоретическим уравнением показывает, что 1:1-соли полностью диссоциированы на ионы. При высоких концентрациях линии графика изгибаются вверх от оси концентрации и различие между ними становится более заметным; в некоторых случаях имеются указания на то, что при увеличении концентрации усиливается тенденция к образованию ионных пар.

Читайте также:  Как замерить ток акб с помощью мультиметра

В случае солей, содержащих многозарядные ионы,

аналогичные линии графика имеют больший наклон, что обусловлено более значительными межионными силами, однако и здесь наблюдается очень хорошее согласие с уравнением Онзагера не только для хлоридов щелочноземельных металлов и некоторых других -зарядных солей, но даже и для хлоридов лантана и редкоземельных металлов.

Рис. Э. 11. Мольные электропроводности 1:1-зарядных солей в воде при 291 К.

Для сульфатов натрия и калия экспериментальные наклоны чуть больше теоретических, а для большинства солей, содержащих многозарядные ионы, обнаруживаются отклонения от теории. На рис. Э. 12 приведены некоторые примеры таких солей, а также соль двухзарядного иона Сильно искривленные линии более характерны для слабых электролитов, и отклонения такого рода объясняются неполной диссоциацией. Такие отклонения чаще встречаются, конечно, в случае многозарядных солей; о них говорится также в статьях, посвященных

ионной паре (см.) и теории ионной ассоциации Бьеррума (см.).

Данные по электропроводности имеются и для растворов солей значительно более высоких концентраций, чем в приведенных примерах, но из-за отсутствия теории концентрированных ионных растворов их интерпретация затруднительна.

Рис. Э. 12. Эквивалентные электропроводности некоторых многозарядных солей в воде при 298 К.

Пунктирные линии — наклоны, рассчитанные по уравнению Онзагера.

Измерения электропроводности — очень чувствительный метод определения степени диссоциации слабого электролита.

В особенности это относится к бинарному соединению, такому, как кислота НХ; для многоосновных кислот, например в ионизационном равновесии участвует целый ряд ионов, и поэтому интерпретация данных измерения их электропроводности довольно сложна.

В качестве примера рассмотрим раствор уксусной кислоты, который при 298 К имеет мольную электропроводность что соответствует концентрации . Величину электропроводности, соответствующую бесконечному разбавлению, нельзя найти путем экстраполяции, но данные по электропроводности для натриевой соли при сильном разбавлении подчиняются уравнению Онзагера и могут быть экстраполированы, давая Комбинируя это значение с известными значениями , получим

Значение для раствора уксусной кислоты указанной — концентрации составляет около 7% этой величины, так что даже при степень диссоциации уксусной кислоты невелика. Чтобы найти степень диссоциации а кислоты, необходимо учесть то обстоятельство, что электропроводности ионов водорода и ацетата зависят от концентрации ионов а с. Согласно уравнению Онзагера, сумма ионных электропроводностей определяется как

Поэтому при имеем

Это уравнение проще всего решать методом последовательных приближений. Полагая в левой части уравнения (1) а равным из правой части получим которое не изменяется в следующем приближении. Теперь можно вычислить

Однако К не является истинной константой диссоциации, поскольку поведение ионов в растворе отличается от идеального и необходимо учитывать их коэффициенты активности. Последние можно вычислить по уравнению Дебая—Хюккеля [15], согласно которому

Комбинируя уравнения (2) и (3), получим точную константу диссоциации:

Уравнение Аррениуса—Оствальда, в котором не учитываются поправки на подвижность и активность, дало бы следующий ответ:

При этом, чем более слабым является рассматриваемый электролит, тем более точным будет приближенное уравнение Аррениуса. Поэтому в некоторых случаях нет необходимости проводить дополнительные расчеты, так как обе поправки частично компенсируют друг друга.

Электропроводность смесей

В смесях электролитов все присутствующие ионы участвуют в образовании ионной атмосферы каждого из них, и поэтому степень уменьшения электропроводности определяется их суммарной концентрацией. Для солей, содержащих ионы с разным зарядом, суммарная концентрация заменяется ионной силой [15], которая характеризует влияние радиуса ионной атмосферы. Ионная сила выражается как т. е. равна полусумме произведений квадрата заряда всех ионов в растворе и их концентраций.

Читайте также:  Существование магнитного поля вокруг проводника с током кто открыл

Электропроводность смесей всегда несколько меньше аддитивной величины, соответствующей простому правилу смесей. Это объясняется тем, что при наличии в ионной атмосфере более подвижного иона уменьшается влияние времени релаксации и наоборот. Этот эффект проявляется сильнее в случае более подвижных ионов, так что в

конечном счете электропроводность уменьшается лишь незначительно.

Если электролиты не полностью диссоциированы, то при перемешивании изменяется число проводящих ионсв и возникают дополнительные эффекты, которые можно рассчитать, зная константы диссоциации.

Рис. Э. 13. Отклонения от аддитивности в смесях

Это можно проиллюстрировать (рис. Э. 13) на примере смесей двух солей разного состава при концентрации Ионные пары в значительной степени образуются в растворах в гораздо меньшей степени — в растворах и полностью отсутствуют в растворах хлоридов. Поэтому при добавлении образуются преимущественно непроводящие ионные пары тогда как добавление приводит к некоторой дальнейшей диссоциации нитрата. Плавные кривые рассчитаны по известным константам диссоциации. В случае более слабых электролитов аналогичные эффекты могут проявляться значительно сильнее.

Применения

Метод измерения электропроводности применяется при изучении кинетики реакций, в том числе очень быстрых реакций, и в других аналогичных исследованиях. Благодаря высокой чувствительности он имеет особенно важное значение при исследовании очень разбавленных растворов и при изучении смесей, в которых электролит является малой примесью. В области анализа некоторыми особыми преимуществами обладает кондуктометрическое титрование (см.).

Источник



Водные растворы солей проводит ток или нет

Актуальность выбора темы

По своим электрическим свойствам вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Чистая вода является диэлектриком. Поваренная соль так же является диэлектриком. Раствор соли в воде — проводник. Меня, ученика 8 класса, ещё не изучавшего электродинамику в курсе школьной физики, заинтересовало данное явление.

В учебниках физики за 10 класс я нашел теоретическое обоснование процесса протекание тока через раствор соли в воде.

Поваренная соль – твёрдый полярный диэлектрик. Под действием растворителя – воды происходит расщепление молекул соли NaCl на отдельные ионы Na + и Cl — . Такой процесс получил название «электролитическая диссоциация». В результате в диэлектрике – воде появляются свободные носители заряда, что обеспечивает прохождение электрического тока через раствор.

Следовательно, чем больше в жидкости свободных носителей заряда, тем больше должна быть сила тока. Я решил проверить гипотезу на опыте, меняя условия эксперимента.

Сила тока через раствор поваренной соли зависит только от массы растворенной соли.

Цель исследовательской работы

Исследование зависимости силы тока через раствор поваренной соли от массы соли, растворенной в воде при различных внешних условиях.

Задачи исследовательской работы

Собрать экспериментальную установку для исследования протекания тока через раствор поваренной соли.

Установить зависимость силы тока от массы соли, растворенной в воде, при различных внешних условиях эксперимента.

Обобщить полученные результаты, сделать вывод.

– протеканиеэлектрического тока через раствор поваренной соли.

– зависимость силы тока от массы соли, растворенной в воде.

Изучение теории – знакомство с теоретическим материалом.

Сборка экспериментальной установки.

Эксперимент – установление зависимости силы тока через раствор поваренной соли от массы соли, растворенной в воде при различных внешних условиях.

Анализ и обработка полученных результатов.

Синтез – интерпретация и обобщение полученных в ходе эксперимента данных.

Экспериментальная установка (приложение 1):

2) один цинковый и два медных электрода,

3) источник питания,

4) амперметр, миллиамперметр,

6) электронные весы,

Кювета наполнялась водой из-под крана объёмом 100 мл. При погружении в воду электродов и замыкании ключа амперметр не регистрировал наличие тока в цепи. Далее кювета наполнялась водой с растворенной в ней солью. Соль предварительно взвешивалась на электронных весах. В кювету погружались электроды, через раствор соли протекал электрический ток. Сила тока измерялась амперметром.

Для проверки гипотезы были проведены эксперименты:

исследование зависимости силы тока от массы соли, растворённой в воде при замене материала, из которого изготовлены электроды,

исследование зависимости силы тока от расстояния между электродами и глубиной их погружения в раствор при постоянной массе соли, растворенной в воде.

Результаты экспериментов приведены в таблицах и на графиках.

Исследование зависимости силы тока от массы соли,растворенной в воде при замене материала, из которого изготовлены электроды.

Расстояние между электродами r = 9см.

Опыт 1.1. Катод – медная пластина, анод – цинковая.

Источник