МИНИСТЕРСТОВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Химический факультет
кафедра физической химии
Курсовая работа

на тему:
«Определение электропроводности лизина»
Выполнил: студент 2 курса 4 группы

Юденко Валерий

Научный руководитель: асс. Козадеров О.А.
Воронеж - 2000

Содержание
Введение................................................................................................................................. 3
Обзор литературы.................................................................................................................. 4
Измерение электропроводности растворов......................................................................... 6
Методика измерения электрической проводимости электролитов.................................. 6
Результаты эксперимента...................................................................................................... 7
Обработка результатов........................................................................................................... 10
Выводы.................................................................................................................................... 11
Литература.............................................................................................................................. 12
      
       Введение

В зависимости от природы токопроводящих частиц и от их электропроводности все вещества можно условно разделить на пять групп.

1.      Непроводящие тела, или изоляторы.

2.      Проводники первого рода, или электронопроводящие тела.

3.      Полупроводники – вещества, в которых ток переносится электронами и дырками.

4.      Проводники второго рода, или ионные проводники, - вещества, в которых ток переносится ионами.

5.      Смешанные проводники – тела, сочетающие электронную ионную проводимости.

Исследуемая α-аминокислота относится к проводникам второго рода, для которых характерна ионная проводимость.

Цель данной работы заключается в определении эквивалентной электропроводности лизина и установлении зависимости эквивалентной электропроводности от концентрации.
Обзор литературы

Мерой способности веществ проводить электрический ток является электрическая проводимость L – величина, обратная электрическому сопротивлению R. Так как,

 

то

      

где ρ – удельное сопротивление, Ом*м; S – поперечное сечение, м²; 1/ρ =      – удельная электрическая проводимость.

     Удельная электрическая проводимость раствора электролита   (Ом^-1*см^-1) – это электрическая проводимость объема раствора, заключенного между двумя параллельными электродами, имеющими площадь 1 м² и расположенными на расстоянии 1 м друг от друга.

     Кривая зависимости удельной электропроводности раствора от концентрации обычно имеет максимум. Наличие максимумов кривых становится понятным, если учесть, что в разбавленных растворах сильных электролитов скорость движения ионов почти не зависит от концентрации, и электропроводность растет почти прямо пропорционально числу ионов, которое, в свою очередь, растет с концентрацией. В концентрированных растворах сильных электролитов ионная атмосфера существенно уменьшает скорость движения ионов, и электропроводность падает. В слабых электролитах плотность ионной атмосферы мала и скорость движения ионов мало зависит от концентрации, однако с увеличением концентрации раствора заметно уменьшается степень диссоциации, что приводит к уменьшению концентрации ионов и падению электропроводности.

     Молярная электрическая проводимость раствора – мера электрической проводимости всех тонов, образующихся при диссоциации 1 моль электролита при данной концентрации. Она численно равна электрической проводимости объема V(м³) раствора заключенного между двумя параллельными электродами, с межэлектродным расстоянием 1 м, причем каждый электрод имеет такую площадь, чтобы в этом объеме содержался       1 моль растворенного вещества. Между молярной и удельной электрическими проводимостями имеется соотношение:   λ=  V=   /с, где λ – молярная электрическая проводимость;    - удельная электрическая проводимость; V – разведение раствора, м³/моль; с – концентрация, моль/м³. С увеличением разведения молярная электрическая проводимость стремится к предельному значению. Эта величина отвечает электрической проводимости гипотетического бесконечно разбавленного раствора, характеризующегося полной диссоциацией электролита и отсутствием сил электростатического взаимодействия между ионами. Величина молярной электрической проводимости бесконечно разбавленного раствора электролита представляет собой сумму двух независимых слагаемых, каждая из которых соответствует определенному виду ионов. Рост молярной электрической проводимости с увеличением разведения для слабых электролитов может быть объяснен на основе представлений классической теории электролитической диссоциации, согласно которой с увеличением разведения степень диссоциации электролита возрастает и в пределе стремится к 1. Для сильных электролитов, диссоциирующих полностью,  Изменение молярной электрической проводимости от концентрации для сильных электролитов объясняется иначе. По теории Дебая – Онзагера снижение молярной  электрической проводимости при переходе от бесконечно разбавленного раствора к растворам конечных концентраций связано с уменьшением скоростей движения ионов. Это объясняется появлением эффектов торможения движения ионов, возникающих за счет сил электростатического взаимодействия между ионом и его ионной атмосферой.

     Эквивалентная электропроводность  (Ом^-1*см²*моль^-1) – это электрическая проводимость такого объема раствора, в котором содержится 1 моль эквивалентов растворенного вещества, причем электроды находятся на расстоянии 1 см друг от друга. 
            
     Электропроводность растворов электролитов зависит в первую очередь от природы электролита и растворителя. Если сравнить между собой значения молярной электропроводности, измеренной в водных растворах при бесконечно больших разбавлениях, то наибольшей она будет у кислот, затем у щелочей и, наконец, у солей.

    В водных растворах удельная электрическая проводимость электролитов при повышении концентрации раствора сначала увеличивается, достигает некоторого максимума и затем, при дальнейшем увеличении концентрации, уменьшается. Положение максимума зависит от природы электролита и его температуры. Эквивалентная электропроводность водных растворов электролитов уменьшается с ростом их концентрации. При нулевой концентрации, когда λ_с = λ₀, она наибольшая. Часто молярную электропроводность λ выражают как функцию разведения. В этом случае наблюдается рост электропроводности с разведением, причем в области больших разведений она стремится к некоторому пределу – к электропроводности при бесконечном разведении .

Кольрауш нашел, что в области малых концентраций молярная электропроводность сильного электролита изменяется с концентрацией по эмпирическому уравнению

               

закон квадратного корня (А – эмпирическая константа). При несколько более высоких концентрациях сильных электролитов лучшее согласие с опытом дает уравнение

                  

закон кубического корня.

     Температурная зависимость молярной электропроводности для узкого интервала температур выражается уравнением:

              

или, в более  широком интервале:

           

где λ_t, λ_t=0 – молярные электропроводности соответственно при температуре t и 0 ˚С; α и β – эмпирические коэффициенты.

     На электропроводность слабых и сильных электролитов влияет кроме температуры также давление, под которым находится раствор. Молярная электропроводность для большинства сильных электролитов при прогрессирующем увеличении давления вначале возрастает, достигает некоторого максимума, а затем вновь уменьшается, часто до значений более низких, чем те, которые наблюдаются при обычном давлении.
            Измерение электропроводности растворов

     Для измерения электрической проводимости раствора прибегают к измерению его сопротивления. Раствор помещают в специальный сосуд, имеющий два металлических электрода. Измерение может быть проведено как с помощью постоянного, так и с помощью переменного тока.    

Электропроводность электролитов обычно определяется при помощи мостовой схемы, используемой для измерения сопротивления проводника первого рода. В случае растворов электролитов применяются мосты, работающие на переменном токе, так как прохождение постоянного тока через растворы приводит к значительным ошибкам, связанным  с явлениями электролиза и поляризации (изменение состава раствора вблизи электродов, изменение состояния электродов, наложение электродной поляризации на подаваемое напряжение). Необходимость применения переменного тока достаточно высокой частоты (для избежания указанных ошибок) усложняет измерительную схему. Изменение направления тока служит оптимальным средством для устранения поляризационного сопротивления. Кроме моста она содержит генератор переменного тока, а также специальные устройства для выпрямления тока перед прохождением его через нуль-инструмент и для компенсации емкостных эффектов.


     Основой установки для определения электропроводности раствора электролита служит мост Уитстона, образованный контуром из четырех сопротивлений. На одну из диагональ моста подается питание от генератора синусоидального напряжения, а на другой диагонали регистрируется сигнал так называемым индикатором нуля, в качестве которого обычно применят осциллограф.

Электроды в сосуде изготовлены из платины. Для того чтобы понизить поляризационное сопротивление, их платинируют. Этим резко повышают площадь поверхности электродов, снижая тем самым плотность протекающего тока. Сопротивление сосуда зависит не только от удельной проводимости раствора, площади электродов и расстояния между ними, но и от взаимного расположения и объема раствора в сосуде, так как в переносе электричества участвует значительно больший объем раствора, чем тот, который непосредственно заключен между электродами. Поэтому расстояние и ориентация электродов, а также объем раствора должны быть строго постоянными.           
       Методика измерения электрической проводимости электролита

Последовательным разбавлением готовили 5 растворов лизина в воде с различными концентрациями: 0,05; 0,025; 0,01; 0,005 и 0,001М. Затем наливали раствор в сосуд и подбирали сопротивление таким образом, чтобы синусоида на осциллографе превратилась в прямую линию. В каждом опыте находили постоянную сосуда, которую использовали для вычисления удельных проводимостей:

 

где k-постоянная сосуда, см^-1; R-сопротивление, Ом;     - удельная электропроводность раствора KCl при данной температуре (из таблицы). Затем измеряли R_х каждого раствора аминокислоты и вычисляли удельные проводимости. При этом делали поправку на собственную проводимость воды:

     

 Используя полученные значения удельных проводимостей, находили эквивалентные проводимости:  
            Результаты эксперимента

     Опыт проводили 3 раза, и были получены следующие результаты:
       Опыт 1

№ п/п	Концентрация     Сэк, моль/л	*10-3 Ом-1*см-1	Λс, Ом-1*см2*моль-1	, Ом-1*см2*моль-1	f
1	0.050	3.783	75.66	87.20	0.868
2	0.025	2.026	81.04		0.929
3	0.010	0.834	82.40		0.945
4	0.005	0.422	84.40		0.968
5	0.001	0.085	85.00		0.975

      K=0,834;   t=22°С

                        График зависимости эквивалентной электропроводности

                                от концентрации в координатах Λ_с -
      
     
      Опыт 2

№ п/п	Концентрация     Сэк, моль/л	*10-3 Ом-1*см-1	Λс, Ом-1*см2*моль-1	, Ом-1*см2*моль-1	f
1	0.05	3.637	72,74	96.00	0.758
2	0.025	1,935	77,40		0.806
3	0.01	0.875	87,50		0.911
4	0.005	0.452	90,40		0.942
5	0.001	0.091	91,00		0.948

      K=0,875;   t=20°С

                       График зависимости эквивалентной электропроводности

                                    от концентрации в координатах Λ_с -
     
       Опыт 3

№ п/п	Концентрация     Сэк, моль/л	*10-3 Ом-1*см-1	Λс, Ом-1*см2*моль-1	, Ом-1*см2*моль-1	f
1	0.05	3.120	62,40	74.6	0.836
2	0.025	1,676	67,04		0.899
3	0.01	0.721	72,10		0.966
4	0.005	0.359	71,80		0.962
5	0.001	0.071	71,00		0.952

      K=0,876;   t=13°С

                        График зависимости эквивалентной электропроводности

                                    от концентрации в координатах Λ_с -
            Обработка результатов

     Для малых выборок использовали распределение Стьюдента, которое связывает между собой ширину доверительного интервала, соответствующую ему вероятность и объем выборочной совокупности.

     Для выборки в n результатов рассчитывали среднее

            

и дисперсию, характеризующую рассеяние результатов относительно среднего

            

     Для характеристики рассеяния результатов в выборочной совокупности использовали также стандартное отклонение
           

и относительное стандартное отклонение значений

          

     Величину доверительного интервала измеряемой величины для заданной доверительной вероятности рассчитывали, пользуясь выражением

          

где t_pf – коэффициент Стьюдента при заданной вероятности; f=n-1; S – стандартное отклонение измеряемой величины, рассчитанное для выборочной совокупности из n данных. Доверительную вероятность принимали равной 0,95.
                        Выводы

     Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что эквивалентная электропроводность лизина с увеличением концентрации уменьшается (это показано на графиках). Также с уменьшением температуры происходит и уменьшение эквивалентной электропроводности.       
            Литература

1. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия: Учеб. Для хим.- технолог. Спец. Вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. Шк., 1984. - 519 с.

2. Физическая химия. В 2 кн. Кн. 2. Электрохимия. Химическая кинетика и катализ: Учеб. Для вузов/К.С.Краснов, Н.К.Воробьев, И.Н.Годнев и др.; Под ред. К.С.Краснова – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. Шк., 1995. –319 с.

3. Курс физической химии. Под ред. Герасимова Я.И.