Versuch LF: Leitfähigkeit

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1 Versuhsdatum: Versuh LF: Versuhsdatum: Seite --

2 Versuhsdatum: Einleitung bedeutet, dass ein hemisher Stoff oder ein Stoffgemish in der Lage ist, Energie oder Ionen zu transportieren und wird untershieden in z.b. elektrishe, elektrolytishe, magnetishe untershieden. In diesem Versuh wird auf die elektrolytishe, der Bewegung der Ionen, eingegangen. Aufgabenstellung Zunähst wird die von zwei unbekannten Elektrolyten gemessen und daraus die Konstanten zweier Gesetze bestimmt. Anshließend wird ein Gemish zweier Säuren untersuht. Theoretishe Grundlagen. Die Äquienzkonzentration Die Äquienzkonzentration ist eine spezielle Stoffmengenkonzentration, die sih aus dem Verhältnis der Stoffmenge und dem Volumen berehnen lässt: n nmol z () V V mit Äquienzkonzentration [ ] m³ n Stoffmenge in [] n mol Stoffmenge in mol [mol] z stöhiometrishe Wertigkeit [-]. Ostwald shes Verdünnungsgesetz Bei shwahen Elektrolyten existiert kaum eine Wehselwirkung zwishen den Ionen, da die Ionenkonzentration sehr gering ist. Bei Anwendung des Massenwirkungsgesetzes für das Gleihgewiht zwishen Ionen und den undissoziierten Molekülen gelangt man zum Ostwald shen Verdünnungsgesetz: K () ( ) K mit K Gleihgewihtskonstante der Dissoziation des Elektrolyten Λ Äquienzleitfähigkeit bei der Konzentration Λ Äquienzleitfähigkeit bei unendliher Verdünnung (Konzentration = ) Seite -- Abb. : Die Auftragung /Λ über Λ ergibt bei shwahen Elektrolyten eine Gerade

3 Versuhsdatum: Quadratwurzelgesetz nah Kohlraush Bei starken Elektrolyten zerfallen die Ionen fast vollständig, allerdings ist ihre Beweglihkeit durh Wehselwirkungen untereinander durh elektrostatishe Kräfte behindert. Das von Kohlraush empirish gefundene Gesetz gibt die Abhängigkeit der von der Konzentration des Elektrolyten wieder: S m a mit a Konstante [ ] (3), 5 4. Äquienzleitfähigkeit Abb. : Die Auftragung Λ über ergibt bei starken Elektrolyten eine Gerade Um die Äquientleitfähigkeit zu erhalten wird die auf die Konzentration der Elektrolyten bezogen: (4) mit κ spezifishe des Elektrolyts [S/m] 5. Konduktometrie Abb. 3: Konduktometrishe Titrationskurve Durh Messung der bei Titration eines Säuregemishes mit Lauge können die in der Mishung vorhandenen Mengen der vershiedenen Säuren bestimmt werden. Zuerst wird die starke Säure neutralisiert. Hier nimmt die ab, da die Konzentration der H 3 O + -Ionen abnimmt(abshnitt a, Abb. 3). Danah wird die shwahe Säure neutralisiert und die steigt bis zum Äquienzpunkt an(abshnitt b). Anshließend steigt die aufgrund von zunehmender OH - -Konzentration stark an. Versuhsdurhführung Im ersten Versuhsteil wird die, N Elektrolytlösung in die Bürette gegeben und zu 5 ml bidestillierten H O in den Shritten,5 ml,,5 ml, ml, 3 ml, 5 ml und ml zugetropft und jedes Mal die gemessen. Die des reinen bidest. H O wird von den gemessenen en der Lösung mit zugetropfter Elektrolytlösung abgezogen. Anshließend wird der Elektrolyt noh zu 5 ml H O auf gleihe Weise zugegeben und die gemessen. Selbige Messungen werden auh mit dem zweiten Elektrolyten durhgeführt. Im zweiten Versuhsteil wird zu einem unbekannten Säuregemish in ml Shritten, N Natronlauge zugegeben und die gemessen. Vor allen smessungen wird die Elektrode mit destilliertem Wasser gereinigt. Seite -3-

4 Versuhsdatum: Messergebnisse Tabelle : gemessene Werte der in Abhängigkeit des Elektrolyten H O Elektrolyt [ml] gemessene LF[μS/m] reale LF [μs/m]* 5ml,5,5,5 9, 8,6 8, 7, ,5 5 7,8 7,3,8,3 5ml,5 9,8 9,3,5 3, 3,7 37,7 37, 3 64, 63,6 5 4,8 4,3,5 (*) Die gemessene des reinen bidest. HO ist,5μs/m und wird von dem Gemessenen Wert der abgezogen reale Tabelle : gemessene Werte der in Abhängigkeit des Elektrolyten H O Elektrolyt [ml] gemessene LF[μS/m] reale LF [μs/m]* 5ml,5 7,3 6,8,5 7, 6, , ,7 43, 7 7,5 5ml,5,4,9,5 4,6 4, 78,8 78,3 3 53, 5, , Tabelle 3: Säure-Base-Titration Seite -4- NaOH [ml] LF [μs/m]

5 L Versuhsdatum: Auswertung der Messergebnisse Wie an den höheren swerten der Elektrolytlösung zu erkennen ist, muss es sih hierbei bei Lösung um den starken Elektrolyten handeln und daher ist das Kohlraushe Quadratwurzelgesetz und die entsprehende Auftragung von über anzuwenden. Für die erste Elektrolytlösung ist das Ostwald'she Verdünnungsgesetz anzuwenden und die Auftragung von über zu wählen. Hier noh der graphishe Vergleih beider Elektrolytlösungen: Λ [(S m²)/] 4 3 Elektrolyt Elektrolyt,5,,5,,5,3 [/m³] Abb. 4: Auftragung von Λ über für den Vergleih beider Elektrolytlösungen Berehnung der benötigten Werte für die Ostwald she Auftragung für den Elektrolyten : - Konzentration des in Wasser gelösten Elektrolyten: V el n el el VH O Vel V V el H O el Äquientkonzentration der Elektrolytlösung: el =, V el Volumen der zugegebenen Elektrolytlösung V HO Volumen des bidest. Wasser 4,5m³ ³ m 9,9 (5,5) m³ - Äquientleitfähigkeit Λ (mit Gleihung (4) ): 6 S,5 m S m²,66 7 9,9 m³ Seite l m³ m³

6 /L /Λ [/S m³] Versuhsdatum: Hier werden die benötigten Werte für die Ostwald she Auftragung des Elektrolyten zusammengefasst: Tabelle 4: Zusammenstellung benötigter Werte für die Auswertung der Elektrolytlösung el V el V HO κ Λ /Λ Λ [/m³] [m³] [m³] [/m³] [S/m] [S m³/] [/S m³] [S/m],,5 5 9,999E-7,93 9,593,337978,93, 5,9678E-6,37 6,67,685439,37, 5 3,8465E-6,37 9,67,3393,37, 5 5 9,99E-6,636 6,996,49388,636, 5,66667E-5,43 6,858,4585,43, 5,8574E-5,5 7,75,4589,5,,5 5,996E-7,5 57,65,735659,5, 5 3,9846E-7,86 46,686,497,86, 5 7,9365E-7,76 34,776,875546,76, 5 5,9678E-6,475 4,5,47967,475, 5 3,8465E-6,74 8,564,538677,74, 5 7,474E-6,3 3,6755,73347,3,8,7,6,5,4,3,, y = 65,66x +,8 -,,,4,6,8,, L Λ [S/m] Abb. 5: Ostwald she Auftragung für Elektrolytlösung mit V HO = 5ml Seite -6-

7 /L /Λ [/S m³] Versuhsdatum: 8.9.9,8,6,4,,,8,6,4, y = 487,4x +,663 -,5,5,,5,,5 L Λ [S/m] Abb. 6: Ostwald she Auftragung für Elektrolytlösung mit V HO = 5ml Mittels dem Umgeformten Ostwald`shen Verdünnungsgesetz (Gleihung () ) kann aus seiner Steigung m bzw. seines Ahsenabshnitts y der Ausgleihsgerade die Konstante K und die Äquientleitfähigkeit Λ bei unendliher Verdünnung berehnet werden: y =,8 (aus Abb. 4) S m² K y y S m² 9,59 m K y (,8)² ² S² m 7 K,89 4 m m 65,66S² m m³ Seite -7-

8 ghjh Λ[Sm²/] Versuhsdatum: Die zweite Elektrolytlösung ist ein starker Elektrolyt, daher wird das Kohlraushe Quadratwurzelgesetz angewandt: Zunähst eine Zusammenfassung der für die Auftragung benötigten Werte: el [/m³] V el [m³] V HO [m³] [/m³] κ [S/m] Λ [Sm²/] [,5 /m,5 ],,5 5 9,9E-7,9,9,9954, 5,968E-6,4,96,48, 5 3,846E-6,783,358,966, 5 5 9,99E-6,56 6,786,35, 5,6667E-5,4495 6,97,4848, 5,857E-5,835 8,85,5345,,5 5,996E-7,68 34,68,44677, 5 3,984E-7,67 4,97,639, 5 7,9365E-7,3 37,8,8987, 5 5,968E-6,74 37,74,48, 5 3,846E-6,43 37,3,966, 5 7,474E-6,75 36,575, y = -449,95x + 38,5 5 -,5,5,,5,,5,3 Λ [Sm²/] ghk Abb. 7: Kohlraushe Auftragung für Elektrolytlösung mit V HO = 5ml Seite -8-

9 Λ[Sm²/] ökl Versuhsdatum: y = 79x + 7,655 -,,,,3,4,5,6 Λ [Sm²/] gh Abb. 8: Kohlraushe Auftragung für Elektrolytlösung mit V HO = 5ml Nah dem Quadrawurzelgesetz von Kohlraush (siehe Gleihung (3) ) kann aus der Steigung m bzw. dem y-ahsenabshnitt y die Konstante a und die Äquientleitfähigkeit Λ bei unendliher Verdünnung ermittelt werden: a S m m = -449,95, 5 y = 38,5 (aus Abb. 7) S m m = -a a 45, 5 S m 38,5 Seite -9-

10 κ [μs/m] LF Versuhsdatum: Säure-Base-Titration: Im folgenden Shaubild wird die über das Volumen der NaOH aufgetragen: 6 4 y3 = 4,3x - 68, 8 y = -5x + 484,5 6 4 y = 54,x + 63, ml naoh Zugegebene NaOH [ml] Abb. 9: Auftragung von κ über das zugegebene Volumen der NaOH Zur Bestimmung der Mengen an vorhandenen Säuren im Gemish, werden die Shnittpunkte der Ausgleihsgeraden abgelesen, um die zugegebene Menge der NaOH zu ermitteln:. Äquienzpunkt: 4,3ml. Äquienzpunkt: 9,8ml Da die Konzentrationen der Säuren niht bekannt sind, wird der molare Anteil bestimmt mit n = (NaOH) V(NaOH) mol mit Konzentration der NaOH l und V zugegebenes Volumen der NaOH [l] Anteil der starken Säure: mol 3 4 n stark, 4,3 l 4,3 mol l Anteil der shwahen Säure: mol 3 4 n shwah, (9,8 4,3) l 5,5 mol l Das Gemish besteht aus 4,3mmol starker Säure und 5,5mmol shwaher Säure. Seite --

11 Versuhsdatum: Diskussion der Ergebnisse. en unbekannter Elektrolyte: Die Werte mit der Wassermenge 5ml sind so stark shwankend, dass es niht möglih war, durh die aufgetragenen Punkte eine Ausgleihsgerade zu legen, daher wurden sie für die Ermittlung der Konstanten und der bei unendliher Verdünnung geklammert. Zur Vollständigkeit werden sie dennoh aufgeführt. Diese starke Abweihung der Werte könnte daher kommen, dass die Messelektrode niht tief genug in die Lösung getauht wurde und daher den swert sehr verfälsht hat. Eine weitere Fehlerquelle ist, dass die Messelektrode vor jeder Messung abgespült wurde. So geht immer ein kleiner Teil des zu untersuhenden Gemishs verloren. Hinzu kommt noh das ungenaue Ablesen beim Zutropfen aus der Bürette oder der Ablesefehler an der Vollpipette. Bei der Bestimmung der Grenzleitfähigkeiten ist zu berüksihtigen, dass zu deren Berehnung der Ahsenabshnitt und die Steigung der Ausgleihsgerade benötigt werden, welhe je nah Genauigkeit der Messungen stark shwanken können. Die Grenzleitfähigkeit des shwahen Elektrolyten nah dem Ostwald shen Gesetz ergibt sih aus einem reziproken Wert. Ist der Wert klein, so wird die Grenzleitfähigkeit extrem groß. Zudem ändert sih bei dem shwahen Elektrolyten die molare im Bereih geringer Konzentrationen sehr stark, so dass eine Angleihung gemessener Werte auf unendlihe Verdünnung sehr unsiher ist. Bei starken Elektrolyten spielt auh die elektrishe Beweglihkeit der Ionen eine starke Rolle. Außerdem werden einige Faktoren, wie z.b. die Aktivität oder die Temperaturabhängigkeit niht berüksihtigt.. Säure-Base-Titration Hier werden ebenfalls Ablesefehler an Bürette und Pipette ersihtlih. Zusammenfassung Der erste Elektrolyt war ein shwaher Elektrolyt wurde nah dem Ostwald shen Gesetz behandelt. So konnten folgende Werte bestimmt werden: S m² 9,59 ; K,89 7 m³ Der zweite Elektrolyt war ein starker Elektrolyt und wurde nah dem Kohlraushen Quadratwurzelgesetz behandelt. Hier wurden folgende Werte bestimmt: S m 38 S m 45 ; a,5, 5 Die Säure-Base-Titration hat gezeigt, dass die starke Säure einen Anteil von 4,3-3 mol hatte und die shwahe einen Anteil von 5,5-4 mol. Seite --