073 – Conductivitate

Conductibilitatea electrică este cea mai rapidă măsurătoare efectuată în orice laborator de apă. O uzină de apă potabilă, o unitate de dializă, o seră hidroponică și o conductă de alimentare cu apă pentru cazane o monitorizează în mod continuu, deoarece un singur număr îi spune unui operator cât material ionic dizervat transportă un lichid, în timp real și fără a distruge proba. Aceeași măsurătoare este ceea ce raportează o sondă de sol ca fiind salinitatea, ceea ce folosește un controlor de piscină pentru a decide cât sare să adauge și ceea ce folosește un laborator clinic pentru a verifica dacă o pungă de ser fiziologic este ceea ce scrie pe etichetă.

Un lichid conduce un curent electric doar dacă conține particule încărcate care sunt libere să se deplaseze prin el. Apa în sine nu conține aproape niciuna, așa că apa pură este un conducător slab; ceea ce contează este dacă substanța dizolvată eliberează ioni în soluție. Un solid ionic, cum ar fi clorura de sodiu, este deja alcătuit din ioni și are nevoie doar ca rețeaua sa să fie dezmembrată prin hidratare. O moleculă polară, cum ar fi clorura de hidrogen, nu conține deloc ioni până când apa nu preia un proton de la ea, iar măsura în care are loc acest transfer de protoni este stabilită de constanta de aciditate. O moleculă precum zaharoză nu are nici o rețea de dezintegrat, nici un proton de cedat: se dizolvă frumos și nu eliberează nimic. Dizolvarea și disocierea sunt două procese diferite, iar conductibilitatea este proprietatea care le deosebește.

În acest laborator veți testa douăsprezece lichide cu un detector de conductivitate electrică — o pereche de electrozi conectați în serie cu o lămpiță indicatoare — și veți înregistra luminozitatea lămpii pentru fiecare pe o scară cu trei niveluri. Zece dintre lichide sunt soluții preparate de concentrație cunoscută; pe celelalte două, apa distilată și apa potabilă, le veți măsura singuri. Pe baza acelor douăsprezece citiri, veți clasifica substanțele în electroliți tari, electroliți slabi și neelectroliți, iar apoi veți explica fiecare grup prin tipul de legătură chimică pe care îl conține.

Obiective educaționale

Distingurgerea electroliților de neelectroliți

• Clasificați o soluție ca fiind un electrolit puternic, un electrolit slab sau un neelectrolit doar pe baza unei citiri a conductivității.
• Menționați de ce clasificarea aparține soluției și nu solutului în sine: aceeași substanță poate fi un electrolit puternic sau slab, în funcție de cât de diluată este.

Legătura chimică drept cauză a conducției

• Explicația conducției depinde de natura particulei dizolvate: fie este vorba despre un ion eliberat dintr-o rețea cristalină, un ion creat prin transfer de protoni, fie despre o moleculă neutră intactă.
• Ghiciți, înainte de a o testa, dacă o substanță necunoscută va conduce electricitatea, pe baza formulei și a legăturilor sale chimice.

Operarea detectorului de conductivitate

• Utilizați detectorul corect: porniți-l, scufundați ambii electrozi la aceeași adâncime, citiți, scoateți-l, clătiți-l și ștergeți-l.
• Explicația faptului că spălarea dintre probe este o etapă de măsurare și nu o simplă operațiune de curățare, precum și estimarea efectului unei singure picături antrenate asupra următoarei citiri.

Tratamentul cantitativ al conductibilității

• Calculați conductivitatea unei soluții de electrolit puternic pe baza conductivităților molare limită tabelate și a concentrației acesteia.
• Calculați fracțiunea dintr-un acid slab care este disociată și folosiți-o pentru a explica un bec slab luminat la aceeași concentrație care dă unul strălucitor pentru un acid tare.

Conectarea măsurătorii la utilizările sale

• Puneți în legătură citirile cu conducția nervoasă, monitorizarea calității apei și motivul pentru care se specifică apa distilată pentru clătirea sticlăriei de laborator.

Protocol

1. Aveți în față 10 pahare de laborator de 50 mL care conțin substanțe identificate prin formula lor chimică.
2. În dreapta șirului de pahare Berzelius; aveți două pahare Berzelius goale. Turnați 50 mL de apă distilată în paharul desemnat în acest scop și 50 mL de apă de la robinet în celălalt pahar desemnat în acest scop.
3. Luați detectorul de conductivitate (DCE) și porniți-l apăsând pe comutator.
4. Curățați electrozii DCE cu apă distilată și ștergeți-i cu hârtie absorbantă.
5. Introduceți electrozii în prima substanță și notați strălucirea becului în tabelul de rezultate (0 sau -: stins; 1 sau +: slab; 2 sau ++: strălucitor).
6. Repetați pașii 3 până la 5 pentru fiecare dintre celelalte 11 substanțe.
7. Luminozitatea fiecărei substanțe este înregistrată în tabelul de rezultate.

Rezultate anticipate

Lampa răspunde la o singură întrebare pentru fiecare lichid: există ioni mobili în acesta și, în linii mari, câți? Cele douăsprezece citiri se împart în trei grupuri distincte, iar cazurile interesante sunt cele de la granițe.

Clasificarea substanțelor

• Electroli tari — NaOH, NaCl, HCl, Ca(OH)₂₂, KOH. Fiecare unitate formulă care intră în soluție este prezentă sub formă de ioni.
• Electroli slabi — acidul etanoic (acetic) și acidul oxalic. Ambele sunt molecule în flacon și doar o fracțiune dintre ele transferă un proton apei.
• Neelectroliți — zaharoză, alcool izopropilic, metanol și apă distilată. Toate patru sunt solvenți sau soluți excelenți și niciunul dintre ei nu furnizează ioni.
• Apă de băut este cel care citește nu se potrivește etichetelor. Sărurile sale minerale dizolvate sunt complet disociate, așa că este un electrolit puternic prin natura sa; becul luminează slab doar pentru că acele săruri sunt prezente în concentrații milimolare. Conductivitatea scăzută indică aici o cantitate mică de ioni, nu o disociere parțială — aceeași strălucire slabă, ajunsă din direcția opusă față de acidul etanoic.

De ce luminează lampa: conductivitatea, conductivitatea molară și concentrația

Conductibilitatea unei soluții este suma contribuțiilor fiecărui ion din aceasta, fiecare ponderat în funcție de cantitatea sa și de cât de repede se mișcă. Pentru un electrolit puternic la diluție moderată, contribuțiile se adună independent, aceasta fiind legea lui Kohlrausch: Λ°_m = Λ°₊ + Λ°₋. Pentru hidroxidul de sodiu, cu conductivitățile molare limită ale Na⁺ și OH⁻ la 25 °C:

Λ°_m(NaOH) = 50,1 + 198,0 = 248,1 S·cm²/mol

Conductibilitatea însăși rezultă din κ = Λ_m × C, cu concentrația convertită în moli pe centimetru cub (0,500 mol/L = 5,00 × 10⁻⁴ mol/cm³):

κ = 248,1 × 5,00 × 10⁻⁴ = 0,124 S/cm = 124 mS/cm

Aceasta este cifra ideală. Ceea ce simte de fapt detectorul este o rezistență, R = K / κ, unde K este constanta celulei a perechii de electrozi – separarea electrozilor împărțită la aria acestora. Pentru o pereche de 1 cm² electrozi la 1 cm distanță, K = 1 cm⁻¹, iar soluția de hidroxid de sodiu prezintă aproximativ 8 Ω. Tabelul de mai jos detaliază acest lucru pentru întregul set și reprezintă versiunea cantitativă a coloanei de luminozitate.

Trei lucruri din acel tabel merită o oprire. Hidroxidul de potasiu conduce mai bine curentul decât hidroxidul de sodiu (272 împotrivă și 248 pentru) deoarece K⁺ transportă 73,5 S·cm²/mol față de Na⁺’s 50.1 — ionul nud mai mare este cel mai rapid, deoarece sarcina sa este distribuită pe o suprafață mai mare și antrenează cu el un strat de hidratare mai mic. Acidul clorhidric conduce întregul set pentru că H⁺ contribuie cu 349,8 și OH⁻ 198,0, de la patru la șapte ori mai mult decât un ion obișnuit cu aceeași sarcină: niciunul nu înoată efectiv prin apă, ci se deplasează de-a lungul unui lanț de legături de hidrogen, câte un atom de oxigen pe rând. Același mecanism este cel care face ca soluțiile acide și bazice din laboratorul 050 să conducă mult mai bine decât sarea la o concentrație egală. Și hidroxidul de calciu saturat este cel care nu se potrivește în partea de suseste luminos, dar nu este concentrat.

Saturat nu înseamnă concentrat

Hidroxidul de calciu se dizolvă în proporție de doar aproximativ 1,73 g/L la 20 °C, iar cu M = 74,09 g/mol aceasta înseamnă 0,023 mol/L — aproximativ a douăzecea parte din concentrația celorlalte soluții strălucitoare. Fiecare unitate formulă eliberează trei ioni (0,023 mol/L de Ca²⁺ plus 0,047 mol/L de OH⁻, așa că [OH⁻] singură plasează soluția la pH 12,7, fiind periculoasă în ciuda concentrației scăzute), iar conductivitatea sa calculată de aproximativ 12 mS/cm este încă de zece ori mai mică decât cea a hidroxidului de sodiu de lângă ea. Ambele indică ++. Un elev care trage concluzia din bec că cele două soluții au concentrații comparabile a fost dus în eroare de un detector care atinge saturația, nu de o tehnică proastă.

Electroliți slabi: cât de puțin din acid este ionizat în realitate

Acidul etanoic și acidul clorhidric stau în rândul de pahare Berzelius la aceeași concentrație de 0,5 mol/L, iar unul este luminos, în timp ce celălalt este slab iluminat. Concentrația de pe etichetă numără moleculele; lampa numără ionii. Pentru un acid slab, [H₃O⁺] = √(K_a × C), și cu K_a = 1,8 × 10⁻⁵:

[H₃O⁺] = √(1,8 × 10⁻⁵ × 0,500) = 3,0 × 10⁻³ mol/L, deci α = 3,0 × 10⁻³ / 0.500 = 0.60 %

Șase molecule dintr-o mie și-au cedat protonul. Concentrația de ioni este prin urmare de aproximativ 170 de ori mai mică decât în paharul cu acid clorhidric, iar conductivitatea calculată o urmează în jos: (349,8 + 40,9) × 3,0 × 10⁻⁶ = 1,2 × 10⁻³ S/cm = 1,2 mS/cm față de 213 mS/cm. Aceasta este aceeași comparație pe care laboratorul 048 o face cu un pH-metru, unde cei doi acizi de 0,10 mol/L diferă prin 1,87 unități de pH; aici este realizată în schimb cu o lampă, iar cele două laboratoare ar trebui citite împreună.

Deoarece α = √(K_a/C), termenul “electrolit slab” se referă mai degrabă la o soluție decât la o substanță. Același acid etanoic este ionizat în proporție de 0,60 % la o concentrație de 0,500 mol/L și în proporție de 6,0 % la o concentrație de 5,0 × 10⁻³ mol/L și 42 % la 1,0 × 10⁻⁴ mol/L. Diluați-l suficient și fiecare acid slab devine unul puternic în acest sens; ceea ce scade este numărul de ioni pe litru, la care lampa reacționează. Legea diluției a lui Ostwald este algebrică în spatele acestei afirmații și este motivul pentru care conductivitatea molară, nu conductivitatea, este mărimea pe care chimiștii o tabelează.

Acidul oxalic nu aparține lângă acidul etanoic, iar calculul o spune. Prima sa constantă de ionizare este K_a1 = 5,4 × 10⁻², de aproximativ trei mii de ori mai mare, așa că la 0.500 mol/L scurtătura rădăcinii pătrate eșuează și ecuația de gradul al doilea trebuie rezolvată: x² / (0,500 − x) = 5,4 × 10⁻² rezultă x = 0,14 mol/L, adică α = 28 %. Conductivitatea estimată este atunci de aproximativ (349,8 + 40) × 1,4 × 10⁻⁴ = 55 mS/cm — un sfert din acidul clorhidric și de patruzeci și cinci de ori acidul etanoic. Pe acest raționament, paharul cu acid oxalic ar trebui să lumineze aproape la fel de puternic ca acizii tari, nu slab. Este numit pe bună dreptate acid slab, deoarece este o moleculă care ionizează doar parțial, dar o lampă de conductivitate nu îl poate plasa în aceeași categorie cu acidul etanoic. Acest conflict dintre citirea înregistrată și calcul este raportat echipei de dezvoltare în loc să fie rezolvat aici; tratați rândul acidului oxalic ca pe o întrebare deschisă a setului și un bun subiect de discuție.

Dizolvarea nu este disociere

Zaharoza la o concentrație de 0,5 mol/L reprezintă 171 g într-un litru de apă — o cantitate mare de substanță dizolvată, complet dizolvată, iar lampa rămâne stinsă. Metanolul și izopropanolul apos se comportă în același mod. Toate cele trei substanțe sunt menținute în soluție prin legături de hidrogen cu grupările lor hidroxil, exact interacțiunea care le dizolvă atât de bine, iar niciuna dintre aceste legături nu se rupe pentru a elibera un ion liber. Comparați acest lucru cu clorura de sodiu, unde energia rețelei cristaline de aproximativ +787 kJ/mol este compensată aproape exact de hidratarea ionilor separați la aproximativ −783 kJ/mol, lăsând o entalpie de dizolvare aproape de zero (+3,9 kJ/mol, cifra utilizată de laboratorul 039) și o soluție care este în întregime ionică. Ceea ce face diferența nu este cantitatea dizolvată, ci natura particulei dizolvate. Permitivitatea relativă ridicată a apei, de 78, este cea care face posibilă situația ionică: ea slăbește atracția dintre sarcinile separate cu acel factor, motiv pentru care aceeași sare este aproape insolubilă în etanol (ε_r 24) și de ce amestecul de izopropanol 50 % din acest laborator are o permitivitate mai apropiată de 55.

Apa distilată este martorul care face ca toate acestea să fie lizibile. Propriul său nivel de ionizare furnizează doar 1,0 × 10⁻⁷ mol/L din fiecare ion, ceea ce conferă o conductivitate teoretică de 0,055 µS/cm; în practică, dioxidul de carbon dizolvat ridică apa distilată de laborator la una sau câteva µS/cm. Apa potabilă, având între 200 și 800 µS/cm, este de o sută până la o mie de ori mai mare — și totuși cu o sută de ori sub soluția salină. Aceste două pahare Berzelius acoperă împreună întreaga gamă pe care o acoperă cuvântul “apă”.

Ce poate și ce nu poate raporta o lampă

Detectorul este un circuit în serie: sursă, lampă, soluție. Dacă lampa este un bec indicator obișnuit, de exemplu de 6 V și 0,3 A, rezistența sa la cald este de aproximativ 20 Ω, iar puterea care ajunge la filament este P = V²R_lampă / (R_lampă + R_soluție)². Prin urmare, luminozitatea maximă necesită ca soluția să prezinte mult mai puțin de 20 Ω, ceea ce cei cinci electroliți puternici fac (de la 4,7 la 83 Ω). La R_soluție = 20 Ω filamentul primește un sfert din puterea sa nominală; pe la 45 Ω scade la o zecime și abia luminează. Acidul etanoic la aproximativ 850 Ω ar lăsa să treacă cam 7 mA și ar disipa un miliwatt în filament — cam a mia parte din ceea ce este necesar pentru a fi vizibil.

Cu alte cuvinte, un bec cu filament de sine stătător nu poate produce citirile cu “+” înregistrate pentru acidul etanoic și apa de băut. Un detector care rezolvă trei niveluri în acest interval trebuie să fie electronic — un LED cu o rezistență în serie sau un amplificator care comandă indicatorul — iar valorile din tabelul cu rezultate trebuie interpretate ca fiind ieșirea unui astfel de instrument, și nu ca o luminozitate literală a filamentului. Acest lucru contează în predare, deoarece unui elev căruia i se cere să explice de la zero o strălucire slabă la 1,2 mS/cm i se va părea că schema circuitului așa cum a fost desenată nu permite acest lucru.

Alte două consecințe ale circuitului merită menționate în mod explicit. În primul rând, un curent continuu care trece prin probă o electrolizează: la 0,24 A timp de cinci secunde, trec 1,2 C, adică 1,2 × 10⁻⁵ mol de electroni și suficienți pentru a degaja hidrogen vizibil la catod, în timp ce stratul de produs lăsat pe electrozi mărește rezistența aparentă cu cât electrozii stau mai mult timp. Aparatele de măsură a conductivității reale alimentează celula cu curent alternativ la aproximativ 1 kHz exact din acest motiv, iar instrucțiunea protocolului de a citi prompt este echivalentul practic. În al doilea rând, spălarea de la pasul 4 este o etapă cantitativă: o singură picătură de 0,05 mL de NaOH 0,5 mol/L dusă în următorul pahar Berzelius de 50 mL o face de 5 × 10⁻⁴ mol/L, cu o conductivitate de aproximativ 0,12 mS/cm — de șaizeci de ori mai mare decât cea a apei distilate și la un factor de patru față de apa potabilă. O singură picătură nelăsată să se scurgă este suficientă pentru a transforma proba martor de apă distilată într-un rezultat pozitiv.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

Concentrare: observație, vocabular și distincția dintre electrolit și neelectrolit.

Activități: testează toate cele douăsprezece lichide, înregistrează luminozitatea pe escala cu trei niveluri și sortează rezultatele într-un tabel cu lichide conductoare și neconductoare. Folosește formulele pentru a spune care lichide conțin un metal și care nu, și descrie the modelul găsit. Clătește și șterge electrozii între fiecare probă și explică, într-o singură propoziție, ce s-ar întâmpla dacă nu ai face-o. Așteptat la acest nivel: utilizarea corectă a termenilor ion, electrolit și neelectrolit, un tabel cu rezultate completat corect și observația că zaharoza se dizolvă fără a conduce electricitatea.

Clasa a XI-a

Concentrare: tratament cantitativ — concentrare, disociere și cifrele din spatele luminozității.

Activități: calculați conductivitatea soluțiilor de clorură de sodiu, hidroxid de sodiu și hidroxid de potasiu din conductivitățile molare limită tabelate utilizând κ = Λ°_mC, și clasificați cele douăsprezece lichide după valoarea obținută. Calculați gradul de disociere al acidului etanoic din K_a și explică becul slab la aceeași concentrație care dă unul strălucitor pentru acidul clorhidric. Calculați concentrația molară a hidroxidului de calciu saturat din solubilitatea sa și explicați de ce o soluție diluată poate fi totuși un electrolit puternic și totuși corozivă. Se așteaptă la acest nivel: aritmetică corectă cu o substituție afișată, o clasificare sustenabilă și declarația explicită că becul răspunde la concentrația de ioni mai degrabă decât la concentrația de solut.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

Concentrare: deducerea, limitele instrumentale și critica independentă a metodei.

Activități: deduceți legea diluției a lui Ostwald din echilibrul acid și folosiți-o pentru a arăta că distincția dintre tare și slab este o afirmație despre o soluție și nu despre o substanță. Rezolvați echilibrul acidului oxalic ca pe o ecuație de gradul al doilea, a-ți prevesti conductibilitatea acestuia și explicați dezacordul cu citirea înregistrată. Convertiți fiecare conductibilitate calculată în rezistența văzută de o celulă cu K constant = 1 cm⁻¹⁻¹, apoi utilizați expresia puterii într-un circuit serie pentru a stabili în ce domeniu al conductivității un bec cu filament ar putea acționa de fapt ca un indicator cu trei niveluri și specificați ce instrument ar fi necesar în afara acestui domeniu. Estimați eroarea introdusă de o picătură neschălată și de o diferență de temperatură de zece grade și specificați o procedură de calibrare cu KCl 0,0100 mol/L care ar transforma acest test calitativ într-o măsurătoare. Se așteaptă la acest nivel: un argument scris cu ipotezele enunțate și cel puțin o îmbunătățire experimentală justificată numeric.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Detector de conductivitate electrică (ECD) — pereche de electrozi în serie cu o lămpi de control, cu un întrerupător pornit/oprit
• Pahare Berzelius (50 mL) × 12 — zece conținând substanțele preparate, două umplute de elev
• Hârtie absorbantă pentru ștergerea electrozilor

Produse

• NaOH 0,5 mol/L — hidroxid de sodiu
• KOH 0,5 mol/l — hidroxid de potasiu
• Ca(OH)₂ saturată — hidroxid de calciu, aproximativ 0,023 mol/L
• HCl 0,5 mol/L — acid clorhidric
• CH₃CH3COOH 0.5 mol/L — acid etanoic (acetic)
• (COOH)₂ 0,5 mol/L — acid oxalic
• NaCl 0,5 mol/L — clorură de sodiu
• C₁₂H₂₂O₁₁ 0,5 mol/L — zaharoză
• C₃H₈O 50 % V/V — alcool izopropilic
• CH₃OH — metanol
• Apă distilată — o probă și folosită pentru clătirea electrozilor între probe
• Apă potabilă — apă de la robinet, o probă