Проводимость и электролитические ячейки (удельная, молярная и эквивалентная проводимость)

Электрохимия - это раздел химии, который изучает связь между электрической энергией и химическими изменениями. Она имеет различные применения в батареях, топливных элементах и электролизе. Одной из важнейших концепций в электрохимии является концепция проводимости, особенно в электролитических ячейках. В этой статье мы подробно разберем проводимость и различные параметры, связанные с ней, такие как удельная проводимость, молярная проводимость и эквивалентная проводимость.

Основные концепции проводимости

Проводимость описывает, насколько хорошо вещество позволяет течь электрическому току. В электролитической ячейке, где среда является жидким раствором, проводимость определяется ионами, присутствующими в растворе. Способность этих ионов переносить электрический заряд способствует проводимости раствора.

Электрическая проводимость (G) является обратной величиной электрического сопротивления (R) и определяется формулой:

g = 1/r

Где:

• G - проводимость, измеряемая в сименсах (S).
• R - сопротивление, измеряемое в омах (Ω).

Для данного электролитического раствора сопротивление зависит от природы электролита, его концентрации и температуры раствора.

Удельная проводимость (κ)

Удельная проводимость, также известная как проводимость, является мерой того, насколько хорошо раствор может проводить электричество. Она определяется как проводимость раствора на единицу длины и единицу поперечного сечения. Единица СИ удельной проводимости - сименсы на метр (S/m).

Формула для удельной проводимости:

κ = G * (L / A)

Где:

• κ (каппа) - удельная проводимость.
• G - проводимость.
• L - длина проводника (в метрах).
• A - площадь поперечного сечения проводника (в квадратных метрах).

Удельная проводимость электролитического раствора зависит от концентрации и природы электролита. Обычно, по мере увеличения концентрации ионов в растворе, удельная проводимость также увеличивается.

Молярная проводимость ( _Λm )

Молярная проводимость является мерой движущей силы всех ионов, полученных при растворении одного моля электролита в растворе. Обычно она выражается в единицах сименс метров в квадрате на моль (S м²/моль).

Формула для молярной проводимости:

Λm = κ/c

Где:

• _{Λ m} - молярная проводимость.
• κ - удельная проводимость.
• C - молярная концентрация раствора (в молях на литр).

Молярная проводимость увеличивается с разбавлением из-за увеличения подвижности ионов. При бесконечном разбавлении ионы находятся очень далеко друг от друга, и их взаимодействие становится незначительным. Это называется предельной молярной проводимостью.

Понимание предельной молярной проводимости

Понятие предельной молярной проводимости важно. Она представляет собой молярную проводимость, когда электролитический раствор настолько разбавлен, что дальнейшее разбавление не изменяет проводимость. Выражается так:

Λ m ∞ = Λ m когда C → 0

Это помогает понять внутреннюю проводимость электролита и полезно для сравнения различных электролитов.

Эквивалентная проводимость (Λ _eq )

Эквивалентная проводимость аналогична молярной проводимости, но она основана на эквивалентной концентрации, а не на молярной концентрации. Она определяется как проводимость раствора, содержащего один грамм-эквивалент электролита. Выражается в сименсах метра в квадрате на эквивалент (S м²/экв).

Формула для эквивалентной проводимости:

Λ eq = κ / N

Где:

• Λ eq - эквивалентная проводимость.
• κ - удельная проводимость.
• N - нормальность раствора (грамм-эквиваленты на литр).

Связь между молярной и эквивалентной проводимостью

Существует прямая связь между молярной проводимостью и эквивалентной проводимостью. Для данного электролита с валентностью z связь выражается так:

Λ eq = Λ m / z

Это уравнение показывает, что эквивалентная проводимость может быть получена из молярной проводимости, учитывая фактор эквивалентности электролита, который зависит от количества производимых им ионов.

Применение концепций с примерами

Возьмем пример раствора хлорида натрия (NaCl):

1. Рассчитайте удельную проводимость с известным сопротивлением:

• Если сопротивление раствора NaCl составляет 5 Ω, удельная проводимость (κ) может быть рассчитана как:

g = 1 / r = 1 / 5 = 0.2 s
κ = g * (l/a) = 0.2 * (1/1) = 0.2 s/m
    

2. Найдите молярную проводимость с концентрацией:

• Предполагая молярную концентрацию 0.1 мол/л для раствора NaCl, молярная проводимость равна:

Λ m = κ / C = 0.2 / 0.1 = 2 S м²/моль

3. Эквивалентная проводимость:

• Используя тот же раствор, эквивалентная проводимость (z = 1 для NaCl) будет:

Λ eq = Λ m / z = 2 / 1 = 2 S м²/экв

Заключение

Понимание проводимости и ее параметризация в терминах удельной, молярной и эквивалентной проводимости является основой для предсказания и измерения способности раствора проводить электричество. Эти параметры важны для промышленных приложений, академических исследований и образовательных целей.

Понимание того, как проводимость ведет себя в различных условиях, помогает лучше разрабатывать электрохимические устройства и процессы, что приводит к увеличению эффективности и производительности.

Комментарии