(1) Przewodnictwo roztworów elektrolitów

Transkrypt

1 (1) Przewodnictwo roztworów elektrolitów 1. Naczyńko konduktometryczne napełnione 0,1 mol. dm -3 roztworem KCl w temp. 298 K ma opór 420 Ω. Przewodnictwo właściwe 0,1 mol. dm -3 roztworu KCl w tej temp. wynosi 0, Ω -1. cm -1. Jeżeli to samo naczyńko napełniono 0,02 mol. dm -3 roztworem CuSO 4, to ma ono opór 1440 Ω. Oblicz przewodnictwo równoważnikowe roztworu CuSO 4 o tym stężeniu. 2. Oblicz stopień dysocjacji kwasu mrówkowego w 1,01 mol. dm -3 roztworze wodnym, jeżeli ten roztwór ma przewodnictwo właściwe równe 1, S. cm -1, a graniczne przewodnictwo równoważnikowe kwasu mrówkowego jest równe 364,5 S. cm 2. mol Po uwzględnieniu poprawki na przewodnictwo właściwe wody użytej do sporządzenia roztworu, przewodnictwo właściwe nasyconego roztworu wodnego AgCl w temp. 25 o C wynosi 1,887 μs. cm -1. Oblicz iloczyn rozpuszczalności chlorku srebra w tej temp. wiedząc, że λ (Ag + ) = 62 S. cm 2. mol -1, λ (Cl - ) = 75 S. cm 2. mol Oblicz graniczne przewodnictwo równoważnikowe kwasu fosforowego (zaniedbując dalsze stopnie dysocjacji poza pierwszym) na podstawie następujących danych: Λ (HCl) = 378,3 S. cm 2. mol -1, Λ (NaH 2 PO 4 ) = 70,0 S. cm 2. mol -1, Λ (NaCl) = 109,0 S. cm 2. mol Próbkę wody pobraną z dużego zbiornika umieszczono w naczyńku konduktometrycznym. Zmierzona rezystancja wynosiła R 1 = 9200 Ω. Gdy to samo naczyńko napełniono 0,02 mol. dm -3 roztworem KCl, rezystancja wynosiła R 2 = 85 Ω. Do zbiornika wsypano 0,50 kg chlorku potasu i zawartość wymieszano. Stwierdzono, że tym razem rezystancja naczyńka pomiarowego wypełnionego próbką zawartości zbiornika wynosiła R 3 = 7800 Ω. Wyznacz objętość zbiornika, znając dodatkowo: Λ(0,02 M KCl) = 138,3 S. cm 2. mol -1, Λ (KCl) = 148,9 S. cm 2. mol cm 3 0,01 M roztworu HCl miareczkowano za pomocą 1 M roztworu KOH. Przewodnictwo mierzono w sposób ciągły, stosując zanurzeniowe naczyńko konduktometryczne o stałej równej 0,3 cm -1. Przyjmując, że przewodnictwa równoważnikowe jonów H +, OH -, Cl - i K + wynoszą odpowiednio 350, 200, 75 i 70 S. cm 2. mol -1, oblicz (zaniedbując efekt rozcieńczenia): (a) przewodnictwo właściwe i rezystancję wyjściowego roztworu HCl, (b) przewodnictwo właściwe roztworu w punkcie zobojętnienia oraz roztworu zawierającego 20% nadmiar KOH.

2 (2) Ruchliwość jonowa i liczby przenoszenia 1. Przewodnictwo właściwe 0,1 mol. dm -3 roztworu KCl wynosi 0,01289 S. cm -1. Jaką rezystancję posiada naczyńko wypełnione tym roztworem, jeżeli powierzchnia elektrod wynosi 1,920 cm 2, a odległość pomiędzy nimi 1,112 cm? Z jaką prędkością poruszają się jony Cl -, jeżeli przyłożono napięcie 2 V? λ (Cl - ) = 75 S. cm 2. mol Liczba przenoszenia jonu K + w roztworze KBr w zakresie stężeń 0 0,2 mol. dm -3 spełnia równanie: t + = 0,4849 0,00596 c Przewodnictwo molowe 0,1 mol. dm -3 roztworu KBr wynosi 131,4 S. cm 2. mol -1. Oblicz ruchliwość jonu K + w tym roztworze oraz prędkość jego poruszania się w polu o natężeniu 1000 V. cm Oblicz liczbę przenoszenia jonu Cu 2+ w roztworze, który jest jednocześnie 0,1 M względem KBr i 0,01 M względem CuBr 2. Przyjmij: λ(cu 2+ ) = 120 S. cm 2. mol -1, λ(k + ) = 63,7 S. cm 2. mol -1, λ(br - ) = 67,7 S. cm 2. mol W temperaturze 25 o C ruchliwości jonów H + i Cl - w wodzie wynoszą odpowiednio 3, cm 2. V -1. s -1 oraz 7, cm 2. V -1. s -1. Jaki ułamek prądu przenoszony jest przez protony w 1,0 mol. dm -3 roztworze wodnym kwasu solnego? Jaką część prądu będą one przenosić, jeśli do kwasu wprowadzono taką ilość NaCl, aby końcowe stężenie soli wynosiło 1,0 mol. dm -3? Ruchliwość jonu Na + wynosi 5, cm 2. V -1. s Metodę ruchomej granicy zastosowano do wyznaczenia liczby przenoszenia jonu NH 4 w ciekłym amoniaku. Stały prąd o natężeniu 5 ma przepuszczano przez 2500 s, w wyniku czego granica utworzona pomiędzy jodkiem rtęci(ii) a jodkiem amonu w roztworze amoniakalnym przesunęła się o 286,9 mm w roztworze o stężeniu 0,01365 mol. kg -1, natomiast w roztworze o stężeniu 0,04255 mol. kg -1 o 92,03 mm. Oblicz liczbę przenoszenia NH + 4 przy tych stężeniach. Średnica rurki wynosi 4,146 mm, a gęstość ciekłego amoniaku 0,682 g. cm W rurze stosowanej do pomiaru liczb przenoszenia metodą ruchomej granicy znajdują się dwa elektrolity: na dole CdCl 2, u góry 0,05 m roztwór NaCl o = 4, S. cm -1. Przekrój rury wynosi 0,950 cm 2. Przy natężeniu prądu 5,45 ma granica między roztworami przesunęła się o 1,80 cm w ciągu 50 min. Wyznacz natężenie pola elektrycznego w roztworze NaCl oraz ruchliwość jonów Na +.

3 (3) Aktywność elektrolitów 1. Oblicz siłę jonową 0,01 mol. dm -3 roztworów następujących elektrolitów: NaCl, CaCl 2, AlCl 3, Al 2 (SO 4 ) 3, a także siłę jonową roztworu 0,1 mol. dm -3 KCl + 0,1 mol. dm -3 CuSO Oblicz średni współczynnik aktywności elektrolitu w 0,001 mol. dm -3 roztworach KCl, CaCl 2, oraz AlCl 3, korzystając z granicznej postaci równania Debye a-hückla, a także średni współczynnik aktywności KCl w roztworze 0,002 mol. dm -3 KCl + 0,001 mol. dm -3 AlCl W temperaturze 25 o C średni współczynnik aktywności CaCl 2 w roztworze wodnym o molalności 0,100 mol. kg -1 wynosi 0,524. Jaki błąd procentowy popełnia się, obliczając wartość tego współczynnika na podstawie granicznego prawa Debye a-hückla? 4. W środowisku obojętnym dominującymi formami występowania wanadu(v) w roztworze wodnym są H 2 VO - 4 oraz V 4 O W temperaturze 50 o C stała równowagi reakcji 4H 2 VO - 4 (aq) V 4 O 4-12 (aq) + 4H 2 O wynosi 106,4. Jaki jest rozkład wanadu w 50 o C pomiędzy oba powyższe aniony dla całkowitego stężenia wanadu 0,01 mol. kg -1 i przy jednostkowej sile jonowej roztworu? W celu obliczenia współczynników aktywności skorzystaj z poniższej postaci rozszerzonego równania Debye a- Hückla, biorąc A = 0,5373 i I = 1,0. log i Az 1 2 i I I 5. Oblicz ph 0,03 mol. dm -3 roztworu H 2 SO 4 jako wykładnik stężenia jonów wodorowych, a następnie korzystając z definicji termodynamicznej (ph = -log a H+ ). Porównaj otrzymane wyniki, zaś współczynnik aktywności H + oszacuj na podstawie granicznego prawa Debye a-hückla. 6. Oblicz stężenie molowe roztworu CuCl 2, jeżeli aktywność jonów chlorkowych wynosi 1, mol. dm -3 i moc jonowa roztworu I = 0,07. Do oszacowania współczynnika aktywności wykorzystaj postać równania Debye a-hückla podaną w zad. 4.

4 (4) Ogniwa galwaniczne 1. Rozpuszczalność AgIO 3 wynosi 1, mol. dm -3 w temperaturze 25 o C. Wyznacz potencjał standardowy półogniwa Ag AgIO 3 IO 3 - w tej temperaturze wiedząc, że potencjał standardowy półogniwa Ag Ag + wynosi 0,799 V. 2. Standardowa siła elektromotoryczna ogniwa Ag Ag 2 SO 4,(s) H 2 SO 4 (0,1 m) H 2 (P o ) Pt wynosi 0,627 V. Oblicz E 298 przyjmując γ ± (H 2 SO 4 ) = 0,7. 3. W temperaturze 25 o C siła elektromotoryczna ogniwa Na NaI (0,1 m w C 2 H 5 NH 2 ) Na (0,206% w Hg) wynosi 0,8453 V. W tej samej temperaturze SEM ogniwa Na (0,206% w Hg) NaCl (aq) (0,1005 m) Hg 2 Cl 2,(s) Hg wynosi 2,2676 V. Wiedząc, że średni jonowy współczynnik aktywności 0,1005 m NaCl wynosi 0,778, a potencjał standardowy półogniwa Cl - Hg 2 Cl 2,(s) Hg = 0,2681 V, oblicz potencjał standardowy półogniwa Na Na + (aq) w temperaturze 25 o C. 4. Podaj schemat ogniwa, w którym zachodzi reakcja: Pb + Hg 2 SO 4,(s) = PbSO 4,(s) + 2Hg Jaka jest siła elektromotoryczna tego ogniwa w temperaturze 25 o C, gdy jako elektrolit zastosuje się nasycony roztwór obydwu soli? K so (Hg 2 SO 4 ) = 6, , K so (PbSO 4 ) = 1, Oblicz SEM ogniwa Pt H 2 (10 5 Pa) HCl (m 1 ) HCl (m 2 ) H 2 (10 5 Pa) Pt, mając dane: m 1 = 0,01; γ ± (0,01 m HCl) = 0,904; m 2 = 0,001; γ ± (0,001 m HCl) = 0,965; t(h + ) = 0, Potencjał standardowy półogniwa miedziowego w roztworze jonów miedzi świadczy o tym, że nieskompleksowany jon Cu + jest niestabilny w roztworze wodnym i ulega reakcji dysproporcjonacji 2Cu + = Cu 2+ + Cu. Oblicz równowagową aktywność jonów Cu + w roztworze wodnym w temp. 25 o C, jeśli równowagową aktywność jonów Cu 2+ przyjąć za równą jedności. Dane są potencjały standardowe następujących półogniw: Cu 2+ + e = Cu + E o 1 = 0,153 V Cu e = Cu E o 2 = 0,337 V Cu + + e = Cu E o 3 = 0,521 V

5 (5) Termodynamika reakcji biegnącej w ogniwie 1. W pewnym zakresie temperatury zmierzono bardzo dokładnie potencjał standardowy półogniwa Ag, AgCl Cl -. Uzyskane wyniki opisano za pomocą następującego wyrażenia: E o /V = 0, , (t/ o C) 3, (t/ o C) 2 + 5, (t/ o C) 3 Oblicz standardową entalpię i standardową entalpię swobodną tworzenia oraz entropię jonu Cl - (aq) w temperaturze 25 o C. 2. W ogniwie Zn ZnCl 2 (0,005 m) Hg 2 Cl 2 Hg zachodzi reakcja: Zn + Hg 2 Cl 2,(s) = ZnCl 2,(aq) + 2Hg Wiedząc, że E o (Zn Zn 2+ ) = -0,7628 V i E o (Cl - Hg 2 Cl 2 Hg) = +0,2676 V, oraz że zmierzona SEM ogniwa wynosi +1,2272 V, oblicz: (1) standardową SEM ogniwa, (2) ΔG, ΔG o oraz K a dla reakcji zachodzącej w ogniwie, (3) γ ± (0,005 m ZnCl 2 ) na podstawie pomiaru SEM ogniwa, (4) γ ± (0,005 m ZnCl 2 ) na podstawie granicznego prawa Debye a-hückla. Znając współczynnik temperaturowy SEM ogniwa, ( E/ T) P = -4, V. K -1, oblicz ponadto ΔS i ΔH reakcji. 3. Znane są następujące dane (w temp. 25 o C): E o (Ag Ag + ) = +0,799 V, K so (Ag 2 SO 4 ) = 7, Na tej podstawie oblicz SEM ogniwa Ag, Ag 2 SO 4 H 2 SO 4 (0,001 m) H 2 (10 5 Pa) Pt, stosując średni jonowy współczynnik aktywności elektrolitu wyznaczony na podstawie granicznego prawa Debye a-hückla. Oblicz ΔG, ΔS i ΔH reakcji w ogniwie wiedząc, że ( E/ T) P = +0,002 V. K Oblicz E o, ΔG o oraz K a reakcji: ½Cu + ½Cl 2,(g) = ½Cu 2+ + Cl - w oparciu o znalezione w tablicach potencjały standardowe odpowiednich półogniw. 5. Potencjał standardowy półogniwa redoks Fe 3+ Fe 2+ wynosi E o 298 = +0,771 V. Standardowe entropie tworzenia jonów Fe 3+ (aq) i Fe 2+ (aq) wynoszą odpowiednio 293,3 i 113,4 J. K -1. mol -1. Oblicz wartość E o 273 tego półogniwa. 6. Dla reakcji 2Fe Hg = 2Fe 2+ + Hg 2 2+ stała równowagi wynosi 0,018 w temp. 21 o C i 0,054 w temp. 35 o C. Oblicz E o ogniwa, w którym zachodzi powyższa reakcja w temp. 45 o C.

6 (6) Elektroliza. Prawa Faradaya. Wyznaczanie liczb przenoszenia metodą Hittorfa 1. Jak długo musi przepływać prąd o natężeniu 20 A przez wodny roztwór KCl w temp. 70 o C, aby otrzymać 1 kg KClO 3? Załóż wydajność prądową procesu 100%. 2. Jak długo musi przepływać prąd o natężeniu 4 A przez wodny roztwór NiSO 4, aby przedmiot o powierzchni 400 cm 2 pokryć warstewką niklu o grubości mm? Załóż d(ni) = 8,9 g. cm Prąd elektryczny przepływa przez dwa kulometry włączone szeregowo w obwód. Elektrody w obu kulometrach są platynowe. Pierwszy kulometr zawiera wodny roztwór azotanu nieznanego metalu. Drugi kulometr zawiera wodny roztwór H 2 SO 4. Po upływie pewnego czasu na katodzie pierwszego kulometru wydzieliło się 0,675 g metalu, a na katodzie drugiego kulometru wydzieliło się 73,1 cm 3 H 2 w temperaturze 16 o C pod ciśnieniem 770 mm Hg. Oblicz równoważnik elektrochemiczny metalu. 4. Przez wodny roztwór 0,05 M KOH przepłynął prąd, wskutek czego w kulometrze miedzianym wydzieliło się 31,8 mg miedzi. Roztwór z przestrzeni katodowej ważył 80 g, a miareczkując go stwierdzono, że był on 0,0532 N. Oblicz liczbę przenoszenia jonów potasowych. 5. W aparacie Hittorfa posiadającym srebrną katodę i kadmową anodę poddano elektrolizie 0,8964 m roztwór CdI 2. W czasie elektrolizy w szeregowo włączonym kulometrze srebrnym wydzieliło się 1,3424 g srebra. Roztwór anodowy o wadze 34,1876 g poddano analizie wagowej strącając 13,444 g jodku srebrowego. Oblicz liczbę przenoszenia jonów kadmowych i jodkowych oraz skomentuj otrzymany wynik. Przyjmij M(AgI) = 234,80 g. mol -1, M(CdI 2 ) = 366,25 g. mol Przed elektrolizą przestrzeń anodowa aparatu Hittorfa zawierała 0,1473 mval CuSO4 w 1 g H 2 O. Przez aparat przepuszczono ładunek 1, F. Liczba przenoszenia jonu Cu 2+ wynosi 0,366. Oblicz końcowe stężenie Cu w przestrzeni anodowej zawierającej 28 g H 2 O dla przypadku: (a) anody platynowej, (b) anody miedzianej.