Кондуктометрия

Содержание

    Введение………………………………………………………………………3

1. Понятие о кондуктометрии и кондуктометрических методах анализа…..4

    1.1 Особенности кондуктометрических методов анализа………………...4

2. Электропроводность…………………………………………………………6

3. Прямая кондуктометрия…………………………………………………….10

4. Кондуктометрическое титрование…………………………………....…….11

5. Хронокондуктометрическое титрование…………………………………...15

6. Высокочастотное титрование……………………………………………….17

7. Области применения кондуктометрических методов анализа……………19

    Заключение …………………………………………………………………..20

    Список используемой  литературы………………………………………….21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В связи с быстрым  развитием разнообразных областей науки, промышленности и новой техники, наряду с классическими методами анализа (качественным, гравиметрическим — весовым и объемным) нашли широкое практическое применение физико-химические (инструментальные) методы анализа, к которым относятся и кондуктометрические.

Кондуктометрический метод анализа был использован рядом       авторов  для титрования  в   неводных средах  веществ  основного характера. Удовенко и Введенская провели кондуктометрическое титрование    анабазина,  лупинина  и   других      алкалоидов.   Мак   Керди и   другие описали метод  кондуктометрического   титрования   слабых      органических    оснований  в  среде      диоксан — муравьиная  кислота.  Проведено      также       титрование  бинарных         смесей       оснований.

Мерс  и    Дамен   исследовали    влияние  состава, сольватирующей способности и других растворителей, температуры раствора, аниона       титранта  (на    примере    НС1О4   и НС1), количества NH2 - групп в   молекуле азотистых оснований, расстояния  между  ними на   результаты  кондуктометрического  титрования   одно- двухкислотных   азотных        оснований и    их   смесей      в   неводных         средах [ 5 ].

Данная тема является актуальной, т.к. кондуктометрия нашла  широкое применение для исследования растворов, расплавов, твёрдых и  жидких чистых веществ, для количественного анализа в аналитической химии, а также для автоматизации технологических процессов с использованием разнообразных вариантов кондуктометрии [ 1 ].

Цель работы – рассмотреть, что такое кондуктометрия и кондуктометрические методы анализа.

Задачи:

- изучить электропроводность;

- изучиь способы титрования  в кондуктометрическом методе;

- рассмотреть области  применения кондуктометрического  метода;

 

1. Понятие о кондуктометрии и кондуктометрических методах анализа

Кондуктометрия (от англ, conductivity - электропроводность и греч. metreo - измеряю), совокупность электрохимических методов анализа, основанных на измерении электропроводности  жидких электролитов, которая пропорциональна их концентрации.

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.

Прямая кондуктометрия — метод, позволяющий непосредственно определять концентрации электролита путем измерения электропроводности раствора электролита с известным качественным составом.

Кондуктометрическое титрование — метод анализа, основанный на определении содержания вещества по излому кривой титрования. Кривую строят по измерениям удельной электропроводности анализируемого раствора, изменяющейся в результате химических реакций в процессе титрования.

Хронокондуктометрическое  титрование основано на определении содержания вещества по затраченному на его титрование времени, автоматически фиксируемому на диаграммной ленте регистратора кривой титрования [ 4 ].

1. Особенности кондуктометрических методов анализа

Кондуктометрические методы по сравнению с другими методами анализа имеют некоторые преимущества. Они дают возможность:

1)   без больших затруднений проводить определения не только в прозрачных, но и в окрашенных и мутных растворах, а также в присутствии окислителей и восстановителей, ограничивающих   применение   органических индикаторов в других методах;

2)   осуществлять  определения разнообразных неорганических и органических индивидуальных соединений;

3)   анализировать  не только сравнительно концентрированные растворы, но и разбавленные до 10~⁴ М;

4)   проводить исследование  не только водных, но и неводных и смешанных водно-органических растворов;

5)   сравнительно  легко осуществлять  автоматизацию  процессов титрования;

6)   широко использовать  разнообразные  типы  реакций (нейтрализации, осаждения, комплексообразования, окисления — восстановления, присоединения, замещения, конденсации,    омыления   и      т.  п.),   сопровождающихся изменением электропроводности  анализируемых растворов;

7)   во многих  случаях избежать предварительного  отделения примесей, обычно мешающих определению другими методами;

8)   просто и точно  определять конечную точку титрования по пересечению двух прямых и соответственно вычислять точку эквивалентности;

9)   использовать  переменный ток низкой частоты   и постоянный ток;

10)   производить    дифференцированное     титрование смесей электролитов, что невозможно  осуществить другими методами [ 3 ].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Электропроводность

В зависимости от природы  частиц, переносящих электричество, проводники делятся на проводники первого рода — металлы, в которых перенос электричества осуществляется электронами, и проводники второго рода — растворы, в которых перенос электричества осуществляется ионами. В кондуктометрии рассматриваются именно проводники второго рода.

Если сопротивление  среды R, то ее электропроводность W равна

W = 1/R

Очевидно, что и единица  измерения электропроводности —  величина, обратная единице измерения сопротивления; электропроводность измеряется в обратных омах (Омֿ').

На основании известных из физики и физической химии соотношений можно вывести ряд уравнений:

R = ρ L/S

W = 1/R = 1/ρ × S/L =  χ × S/L

где       ρ — удельное сопротивление;

χ — удельная электропроводность;

S — площадь сечения проводника;

L — длина проводника.

Удельным сопротивлением называется сопротивление столба исследуемого вещества длиной в 1 см и площадью сечения 1 см².

Величина, обратная удельному  сопротивлению, называется удельной электропроводностью.

Удельная электропроводность чистого вещества зависит от его  природы, температуры, а электропроводность раствора и от его концентрации.

Зависимость удельной электропроводности от температуры можно выразить степенным  рядом, в котором для практических целей физико-химического анализа  достаточно ограничиться первыми тремя членами:

χ = χ0 ( 1 + άt + βt² )

где ά и β— коэффициенты,  зависящие  от  природы  растворенного  вещества и его концентрации.

Так как в большинстве случаев  кондуктометрические измерения проводятся при постоянной температуре, в практике физико-химических методов это уравнение используется редко. В случае

 

необходимости значения коэффициентов ρ₀, ά и β могут быть найдены в соответствующих справочниках.             

Зависимость электропроводности от концентрации может быть выражена графически; ряд кривых зависимости удельной электропроводности от концентрации показан на рис. IX-1. Как видно из рисунка, многие электролиты имеют максимум электропроводности, при концентрации от 5 до 10 г-экв/л.

Во многих случаях  вместо удельной электропроводности приходится пользоваться эквивалентной и молярной электропроводностями.

Эквивалентной % или мольной  μ электропроводностью называется удельная электропроводность, отнесенная к числу грамм-эквивалентов η или грамм-молей φ в 1 см^².

Между этими значениями электропроводности существует простая  зависимость:

λ = μ / η      и       μ = χ / φ

Так же как и удельная электропроводность, мольная и эквивалентная электропроводности зависят от температуры, природы вещества и его концентрации. Особенно важная зависимость мольной и эквивалентной электропроводностей от концентрации. Эта зависимость для большинства электролитов может быть приближенно выражена уравнением:

λ = λ∞ – а ³√η

где а — постоянная.

На рис. IX-2 приведены графики зависимости λ от ³√η. Как видно из них, прямолинейность этой зависимости несколько нарушается, что свидетельствует о приближенности приведенного уравнения. При уменьшении концентрации — бесконечно большом разбавлении— эквивалентная электропроводность стремится к постоянному значению— λ∞ зависящему от природы электролита и температуры. Эта величина называется электропроводностью при бесконечном разбавлении или предельной электропроводностью   (иногда ее обозначают λо).

Эквивалентная электропроводность при  бесконечном разбавлении может быть представлена как сумма двух слагаемых, зависящих от природы аниона и катиона, которые входят в состав соединения:

λ∞ = U + V

Эти слагаемые называются предельными эквивалентными элек-тропроводностями ионов или их подвижностями. Таким  образом, предельная эквивалентная  электропроводность равна сумме подвижностей ионов. Значениями подвижностей ионов приходится пользоваться очень часто при расчетах электропроводности разбавленных растворов. Значения подвижностей ионов могут быть найдены в любых справочниках. Для катионов и анионов они колеблются в пределах 35—70 Омֿ¹×г-эквֿ¹×см², только для двух ионов они выходят за эти значения: для Н⁺ U = 315 и для ОНֿ V =174.

Из уравнения видно, что между эквивалентной электропроводностью   и   концентрацией   существует   определенная, хотя и сложная зависимость. Такая же зависимость существует для удельной и для молярной электропроводности. Это обстоятельство позволяет использовать кондуктометрический метод в качестве прямого метода физико-химического анализа — по значению электропроводности можно непосредственно определить концентрацию анализируемого раствора.

Например, удельная электропроводность чистой известковой воды в зависимости  от содержания СаО изменяется следующим  образом:

Содержание СаО, г/л   .  .      0,2       0,4       0,6       0,8       1,0       1,2

χ×10³ Омֿ'×смֿ^]   ..      ..       1,62     3,13     4,57     5,96     7,50     8,60

Построив график зависимости  концентрации от электропроводности и найдя электропроводность анализируемого раствора СаО, можно по графику найти его концентрацию. Следует, однако, отметить, что малейшие примеси значительно изменяют электропроводность, искажая результаты анализа.

Этот метод имеет  ограниченное применение в лабораторной практике, но применяется в автоматическом контроле различных химических производств [ 2 ].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Прямая кондуктометрия

Методы прямой кондуктометрии основаны на зависимости электрической  проводимости от концентрации. Используя  стандартные растворы электролита, строят градуировочный график зависимости электрической проводимости раствора от концентрации электролита. Затем определяют электрическую проводимость анализируемого раствора и по графику находят его концентрацию.

Несмотря на высокую  точность и простоту прямой кондуктометрический  метод анализа не нашёл широкого применения в практике аналитических лабораторий. Это связано с тем, что метод не является специфичным, т.к. измеряемая электрическая проводимость является суммой электрических проводимостей всех ионов, присутствующих в растворе. Поэтому даже малейшие примеси изменяют значение электрической проводимости и искажают результаты. Однако метод широко применяется для целей автоматизации контроля в различных непрерывных химических производствах [ 6 ].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Кондуктометрическое титрование

Значительно большее  применение имеет косвенный метод кондуктометрического анализа— кондуктометрическое титрование.

Рассмотрим, как изменяется электропроводность в процессе-реакции, на примере осаждения  ионов Ва²⁺ ионами SO₄

BaCl₂ + Na₂SO₄   →   BaSO₄ + 2NaCl или

Ва²⁺+ 2Сlֿ + 2Na⁺+ SO4 → ↓BaSO₄ + 2Na⁺ + 2Сlֿ

Если к раствору ВаС1₂ добавлять концентрированный раствор Na₂SO4, то С1ֿ-ион остается в растворе неизменным; образующийся BaSO₄ нерастворим, не образует заметного количества ионов и не проводит электричества. Следовательно, в растворе, в результате добавления Na₂SO₄, ион Ва²⁺ (U = 55) заменяется ионом Na⁺ (U = 43,5). Электропроводность раствора уменьшается, так как более подвижный ион заменяется менее подвижным, а общий объем раствора увеличивается. Это уменьшение электропроводности будет происходить, очевидно, до тех пор пока все ионы бария, находящиеся в растворе, не перейдут в осадок. Вслед за этим добавление Na₂SO4 резко увеличит электропроводность раствора, так как концентрация электролитов в растворе возрастает. Строя график в системе удельная электропроводность — объем раствора Na₂SO₄, получим характерную кривую Z (рис. IX-3).