Opracowali:    Andrzej Ślączka

                        Monika Kujawska

Katedra Przeróbki Kopalin i Utylizacji Odpadów

 

Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych

z podstaw chemii wzbogacania kopalin

 

dla studentów specjalności Przeróbka Kopalin Stałych

Politechniki Śląskiej

Semestr IV  

Chemia

Ćwiczenia

PKS

 5. Przewodnictwo elektrolityczne

 

Wstęp

Przewodność elektrolityczna (konduktywność elektrolityczna) jest przewodnością słupa cieczy o grubości 1 cm i przekroju A = 1 cm2. Jednostką przewodności właściwej jest simens [S].cm-1 (lub [W-1.cm-1]).

Ze stężeniem jonów znajdujących się w elektrolicie przewodność właściwa związana jest zależnością:

k = 10-3 .S ci .li 

gdzie:

Przewodnictwo roztworu jest sumą udziałów przewodnictwa wszystkich rodzajów jonów znajdujących się w danym roztworze. Zależy więc od stężenia nie tylko tej substancji, która w danym przypadku jest oznaczana. Jeśli jednak stężenie wszystkich pozostałych substancji jonowych utrzyma się na stałym poziomie, to zmianę zmierzonego przewodnictwo roztworu można łatwo powiązać ze zmianami stężenia oznaczanej substancji.

W szerokim zakresie stężeń zależność przewodności właściwej od stężenia jest opisana złożonymi funkcjami krzywoliniowymi. Dla niskich stężeń zależność przewodnictwa od stężenia ma charakter prostoliniowy.

Przewodność elektrolityczna rośnie o około 2% przy wzroście  temperatury o 1oC, dlatego pomiary konduktometryczne wykonuje się w stałej temperaturze lub stosuje automatyczną kompensację temperatury. 

Aparatura           

            Klasyczny układ do pomiaru przewodności składa się z naczyńka konduktometrycznego zawierającego 2 elektrody, które mają kontakt z analizowanym roztworem oraz konduktometru – elektronicznego miernika przewodności. 

 

  Schemat układu konduktometrycznego.

1 – konduktometr, 2 – elektrody, 3 – badany elektrolit

  W pomiarach przewodności roztworu nie można stosować prądu stałego, powodującego niekorzystne zjawiska: na powierzchni elektrod i zmiany składu elektrolitu, dlatego stosuje się prąd zmienny o częstotliwości nie przekraczającej  10kHz.       

Obecnie produkowane konduktometry pozwalają na ciągły pomiar przewodności, a zakres pomiarowy może być zmieniany od 10-7 do 1 S. Przed pomiarem należy wycechować przyrząd korzystając z roztworów wzorcowych o znanej przewodności lub ustawić stałą naczyńka konduktometrycznego (stałą elektrody) podaną przez producenta.

  Naczyńka konduktometryczne

Pomiary przewodnictwa elektrolitów wykonywane są w naczyńkach konduktometrycznych, które zawierają dwie elektrody platynowe. Istotne jest zachowanie stałej odległości między elektrodami i możliwie małej pojemności naczyńka. Zakładając, że powierzchnie elektrod są równe i wynoszą A, odległość miedzy elektrodami l, stała naczyńka konduktometrycznego – k wynosi:

k = l/A

Przewodność elektrolityczna właściwa równa się więc:

k = k/R

 Ze względu na rozpowszechnienie się elektrod zanurzeniowych spotyka się również pojęcie – stała elektrody konduktometrycznej.

  Typy naczyniek konduktometrycznych przedstawiono poniżej na rysunku:

 

  Typy naczyniek konduktometrycznych:

a – klasyczna elektroda zanurzeniowa, b – nowoczesna elektroda zanurzeniowa,

c – naczyńko przepływowe do pomiarów ciągłych

  Wartość k musi być wyznaczona dla każdego naczyńka konduktometrycznego (gdyż zależy od kształtu, położenia i rozmiaru elektrod). Stała naczyńka (elektrody) jest również podawana przez producenta naczyniek. Stałą k wyznacza się przez pomiar przewodności roztworu wzorcowego KCl  w różnym zakresie stężeń (np. 0,01 do 1 mol/dm3) i w różnych temperaturach. Stałą konduktometryczną  k oblicza się ze wzoru: k = k1/ k2 gdzie: k1 – teoretyczna przewodność wzorcowego roztworu KCl, mS .cm-1,  k2 – zmierzona przewodność wzorcowego roztworu KCl, mS .cm-1.

  Konduktometr laboratoryjny

            Pomiar przewodnictwa roztworów wykonuje się za pomocą konduktometrów. Zasadę pomiaru przedstawia rysunek. Rx oznacza oporność naczyńka konduktometrycznego (elektrody pomiarowej), a R jest znanym oporem pomiarowym. W obwodzie znajduje się również źródło prądu zmiennego (1). Spadek napięcia na oporze R proporcjonalny do prądu płynącego w obwodzie odczytuje się na skali woltomierza cyfrowego (2) wyskalowanego w simensach. W zależności od wielkości mierzonego przewodnictwa stosuje się odpowiednią częstotliwość prądu.

Zasada pomiaru przewodnictwa

1 - źródło prądu zmiennego, 2 - woltomierz cyfrowy

Konduktometry produkuje wiele firm. Do najbardziej znanych należą: Radiometer  (Dania), Metrohom (Szwajcaria), Radelkis (Węgry). Ze względu nadaleko idącą miniaturyzację elektroniki większość przyrządów nadaje się zarówno do pracy w laboratorium, jak i w warunkach polowych. Przenośny konduktometr firmy ELMETRON (Polska) jest przydatny do pomiarów przewodności właściwej wód. Konduktometr pozwala na pomiar w czterech zakresach, w przedziale wartości mierzonych: od 0 do 199 mS.cm-1. Przewodność odczytuje się bezpośrednio na skali przyrządu. Kalibrację można przeprowadzić na dwa sposoby: przez numeryczne wprowadzenie do pamięci przyrządu stałej elektrody k oraz za pomocą roztworu wzorcowego. Konduktometr może być zaopatrzony w różne typy elektrod pomiarowych i umożliwia również automatyczną lub ręczną kompensację temperatury.

  Wyróżnia się dwie techniki pomiarów konduktometrycznych: technika pomiarów bezpośrednich i miareczkowanie konduktometryczne.

Konduktometria bezpośrednia najczęściej jest stosowana do oznaczania czystości wody, np. kontrola czystości wody destylowanej lub demineralizowanej.

Na podstawie pomiaru przewodności można określić zawartość substancji mineralnych rozpuszczonych w wodzie. Konduktometry, zwane solomierzami, są wyskalowane w jednostkach stężenia NaCl, ponieważ wodny roztwór chlorku sodu ma przewodność właściwą najbardziej zbliżoną do średniej przewodności innych soli w wodach naturalnych.

Prowadząc pomiary przewodności wód o bardzo dużym stężeniu elektrolitu (np. stężonych solanek) należy pamiętać, że ze wzrostem stężenia maleje aktywność jonów i przewodnictwo przestaje być liniową funkcją stężenia.

            Istotny wpływ na wyniki pomiaru ma temperatura. Pomiary należy wykonywać w stałej temperaturze, np. 25oC  lub stosować automatyczną kompensację temperatury.

Doświadczenie 1. Wyznaczenie pojemności oporowej naczyńka konduktometrycznego

Po zapoznaniu się z instrukcją konduktometru zmierzyć przewodnictwo właściwe roztworów chlorku potasu o stężeniach 0,01; 0,05 i 0,1 mol/dm3 , rozpoczynając od roztworu o najmniejszym stężeniu. Po każdym pomiarze bardzo dokładnie opłukać elektrodę pomiarową wodą destylowaną, delikatnie osuszyć ją z zewnątrz bibułą (nie dotykać czerni platynowej) i opłukać niewielką porcją roztworu przeznaczonego do następnego pomiaru. Następnie, do do suchej i czystej zlewki, nalać nową porcję roztworu do pomiaru i po ustabilizowaniu się wskazania przyrządu odczytać wartość przewodności właściwej. Obliczyć "k" z odpowiedniego wzoru.

Doświadczenie 2. Pomiar przewodności właściwej różnych wód

Zmierzyć przewodność właściwą wody destylowanej, wodociągowej i kopalnianej. Pamiętać o dokładnym opłukaniu elektrody konduktometrycznej po każdym pomiarze.

Wyniki zebrać w tabeli.