Loading Preview
Sorry, preview is currently unavailable. You can download the paper by clicking the button above.
Trong rất nhiều các tài liệu chuyên ngành xử lý nước chúng ta thường thấy có thông số về độ dẫn điện. Đặc biệt là trong các công trình xử lý nước công nghiệp, thông số về độ dẫn điện ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm đầu ra của các dây chuyền công nghiệp. Vậy Độ dẫn điện của dung dịch là gì? Độ dẫn điện của nước là gì? Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu trong nội dung bài viết.
Độ dẫn điện của dung dịch là gì?
Độ dẫn điện của dung dịch, thường gọi là EC [Viết tắt của Electro Conductivity] là chỉ số thể hiện tổng nồng độ ion hòa tan trong dung dịch. Đơn vị đo của độ dẫn điện EC là mS/cm [miliSiemens trên centimet]. Chú ý, độ dẫn điện của dung dịch không thể hiện cho từng loại ion trong dung dịch.
Máy đo độ dẫn điện trong nước
Độ dẫn điện trong dung dịch EC có thể hiện khả năng dẫn điện, nhiệt và âm thanh của dung dịch. Trong dung dịch, khi có các ion là nguyên nhân gây ra dòng điện khi áp đặt một chênh lệch điện thế. Dòng điện tạo ra bởi sự chuyển động có hướng của các hạt ion. Độ dẫn điện tỉ lệ thuận với nhiệt độ dung môi. Khi nhiệt độ tăng, các hạt ion được cung cấp thêm năng lượng, chuyển động với tốc độ cao ảnh hưởng đến độ dẫn điện. Nói cách khác, nhiệt độ nước càng cao thì độ dẫn điện của nước càng lớn. Nhiệt độ nước tăng lên 10 độ C tương ứng với sự tăng lên 2 – 3% độ dẫn điện.
Nước tinh khiết dẫn điện không tốt. Sau đây là độ dẫn điện của một số loại nước đặc trưng:
- Nước biển: 5S/m
- Nước uống thông thường: 0.005 – 0.05S/m
- Nước tinh khiết: 5.5 – 6S/m
Ứng dụng độ dẫn điện trong thực tế
Độ dẫn điện là tổng nồng độ ion trong nước, do vậy độ dẫn điện EC sẽ liên quan đến đến nồng độ muối hòa tan cũng như các ion khác. Trong thực tế, người ta sử dụng độ dẫn điện để gián tiếp đo các chỉ số khác như độ mặn và chỉ số TDS [tổng lượng chất rắn hòa tan trong nước].
Với nước tinh khiết, độ dẫn điện khi đo được sẽ là 0, tức là nước tinh khiết sẽ không dẫn điện. Do vậy, với nước tinh khiết khi hòa muối vào đo độ mặn và TDS chúng ta sẽ có những kết quả tỉ lệ tuyến tính.
Nước sử dụng trong công nghiệp mạ có độ dẫn điện cực thấp
Trong xử lý nước sản xuất công nghiệp, độ dẫn điện là một thông số cực kỳ quan trọng. Các ngành sản xuất công nghiệp như sản xuất vi mạch điện tử, thiết bị lắp ráp ô tô, xe máy, sản xuất sơn tường và sơn kim loại, ngành mạ kim loại... có những yêu cầu rất khắt khe về nước sử dụng. Nguồn nước này cần có độ dẫn điện cực thấp. Nước sử dụng trong sản xuất công nghiệp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm đầu ra của các nhà máy công nghiệp.
Kết luận
Độ dẫn điện là một chỉ tiêu quan trọng trong đo lường chất lượng nước, nó cũng là một chỉ tiêu để tham chiếu cho rất nhiều các tiêu chí liên quan. Hy vọng qua bài viết, bạn đã nắm được Độ dẫn điện của dung dịch là gì? và các ứng dụng của nó trong cuộc sống.
FamyCare
Chuyên gia trong lĩnh vực xử lý nước, lọc nước, có 15 năm kinh nghiệm.
1 Ăn mòn và bảo vệ kim loại. NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2006. Từ khoá: Ăn mòn và bảo vệ kim loại, Độ dẫn điện, Linh độ ion, Số vận tải, Dung dịch chất điện ly, Đo độ dẫn điện. Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả. Mục lục Chương 2 Sự đẫn điện của dung dịch chất điện li 2 2.1 Mở đầu 2 2.2 Độ dẫn điện riêng và độ dẫn điện đương lượng 2 2.2.1 Độ dẫn điện riêng 2 2.2.2 Độ dẫn điện đương lượng 3 2.3 Quan hệ giữa độ dẫn điện riêng và tốc độ chuyển động của ion 4 2.4 Linh độ ion 5 2.5 Sự phụ thuộc của độ dẫn điện vào nồng độ dung dịch chất điện li 7 2.6 Số vận tải 10 2.7 Phương pháp đo độ dẫn diện và ứng dụng 13 2.7.1 Phương pháp đo độ dẫn điện 13 2.7.2 Ứng dụng của phương pháp đo độ dẫn điện 14 Chương 2. Sự đẫn điện của dung dịch chất điện li Trịnh Xuân Sén 2Chương 2 Sự đẫn điện của dung dịch chất điện li 2.1 Mở đầu Dung dịch chất điện li còn gọi là chất dẫn điện loại hai, sự dẫn điện của nó nhờ sự tải điện của các ion. Kim loại và oxit kim loại dẫn điện bằng electron được gọi là chất dẫn điện loại 1 và có điện trở khoảng 10−6 ÷ 10−3 Ω.cm. Nghiên cứu về độ dẫn điện của dung dịch chất điện li có liên quan chặt chẽ với hiện tượng ăn mòn điện hoá và cho phép giải thích sự khác biệt về tốc độ ăn mòn trong môi trường nước biển và nước sông, ao, hồ. Để đánh giá khả năng dẫn điện của dung dịch chất điện li người ta sử dụng hai đại lượng: độ dẫn điện riêng và độ dẫn điện đương lượng của dung dịch chất điện li. 2.2 Độ dẫn điện riêng và độ dẫn điện đương lượng 2.2.1 Độ dẫn điện riêng Độ dẫn điện riêng của dung dịch chất điện li đã cho là độ dẫn điện của nó được đặt giữa hai điện cực song song có diện tích 1 cm2 và cách nhau 1 cm. Độ dẫn điện riêng χ là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất. χ = ρ1 [2.1] Để tìm đơn vị đo χ ta xét điện trở của một ống dung dịch chất điện li tương tự một dây dẫn kim loại có chiều dài l [cm] và tiết diện S [cm2], điện trở suất của dây kim loại là ρ. Vậy điện trở R của dây dẫn được tính: R = ρ.AS [2.2] Suy ra: χ = ρ1 = 1R.AS [Ω−1.cm−1] [2.3] Khác với chất dẫn điện kim loại, độ dẫn điện riêng của chất dẫn điện loại 2 tăng khi tăng nhiệt độ. χt = χ18[1 + k[t − 18oC]] [2.4] trong đó: χt − độ dẫn điện riêng ở nhiệt độ t bất kỳ, toC > 18oC; χ18 − độ dẫn điện riêng ở nhiệt độ 18oC. Giá trị hệ số k thay đổi tuỳ thuộc vào bản chất dung dịch, đối với dung dịch axit mạnh k = 0,0164, đối với dung dịch bazơ mạnh k = 0,0190, đối với dung dịch muối k = 0,022. 32.2.2 Độ dẫn điện đương lượng Độ dẫn điện đương lượng λ của dung dịch chất điện li khảo sát là độ dẫn điện của một dung dịch chứa đúng một đương lượng gam chất điện li được đặt giữa hai điện cực platin song song với nhau và cách nhau 1 cm. Giữa độ dẫn điện đương lượng λ và độ dẫn điện riêng χ có quan hệ với nhau theo phương trình: λ = χ1000.C [2.5] trong đó C là nồng độ đương lượng gam/lit. Từ đó suy ra đơn vị đo của λ bằng Ω−1.cm2.đlg−1. Nếu đặt V = 1C gọi là độ pha loãng thì công thức [2.5] có dạng: λ = 1000.V.χ [2.6] Từ phương trình [2.5] cho thấy khi dung dịch rất loãng [C → 0] thì giá trị λ đạt đến giá trị tới hạn λ → λ∞. Đối với dung dịch chất điện li yếu, sự phụ thuộc của độ dẫn điện đương lượng λ vào nồng độ chất điện li thực chất là phụ thuộc vào sự biến đổi độ điện li α [hình 2.1]. Vậy: λC = α.λ∞ [2.7] Suy ra: α = ∞λλC [2.8] trong đó: λC − độ dẫn điện đương lượng của dung dịch có nồng độ C. Hình 2.1 Sự phụ thuộc của độ dẫn điện đương lượng λ vào độ pha loãng V 42.3 Quan hệ giữa độ dẫn điện riêng và tốc độ chuyển động của ion Trong trường hợp đơn giản ta hãy xét một ống dung dịch chất điện li 1-1 [ví dụ KCl, KNO3 ]. MA phân li thành các ion M+ và A−. Gọi Uo - tốc độ chuyển động tuyệt đối của cation M+ và Vo - tốc độ chuyển động tuyệt đối của anion A−. Nếu đặt ống dung dịch vào điện trường E [V/cm] thì: Tốc độ chuyển động của cation: U = Uo.E [cm/giây] [2.9] Tốc độ chuyển động của anion: V = Vo.E [cm/giây] [2.10] Khi E = 1 [V/cm] thì U = Uo và V = Vo ⎛⎞=⎜⎟⎝⎠2cmcm / V.ss.[v / cm] Dưới tác dụng của điện trường, trong một đơn vị thời gian 1 giây số cation μ+ và anion μ− đi qua tiết diện S = 1 cm2 bằng: μ+ = C/α ν+ NA.Uo.E [2.11] μ− = C/α ν− NA.Vo.E [2.12] trong đó: C/ = C1000 gọi là nồng độ ion trong một đơn vị thể tích 1 cm3. Uo và Vo là tốc độ tuyệt đối của cation và anion và chính là độ dài do cation di chuyển trong 1 đơn vị thời gian 1 giây với E = 1 [V/cm]. Hình 2.2 Sự di chuyển của các ion dưới tác dụng của điện trường Phương trình [2.11] và [2.12] có thể viết: μ+ = C α ν+ NA.Uo.E.10−3 [2.13] μ− = C α ν− NA.Vo.E.10−3 [2.14] trong đó: α - độ phân li; ν+, ν− - số cation và anion; 5 NA - là số Avogađro. Nếu gọi Q là điện lượng do cation và anion tải thì: Q = μ+ Z+ . e + μ− Z− . e [2.15] trong đó: Z+, Z− là số oxi hoá của cation và anion; e là điện tích cơ bản, e = 1,602.10−19C. Đối với chất điện li 1-1, Z1 = Z− = 1 hoặc Q = C α NA e.10−3.E [ν+ Z+ Uo + ν− Z− Vo] [2.16] Dung dịch chất điện li luôn trung hoà điện nên ν+ Z+ = ν− Z− = ν Z Vậy phương trình [2.16] có dạng: Q = i = 10−3 α C F ν Z [Uo + Vo]E [2.17] Ở đây lượng điện Q do ion tải trong một đơn vị thời gian đi qua 1 cm2 chính là cường độ dòng điện i đi qua ống dung dịch [hình 2.2]. Tương tự đối với dây dẫn kim loại có điện trở R có dòng điện i đi qua dây dẫn và điện thế E, đối với ống dung dịch chất điện li [hình 2.2], theo định luật Ôm ta có: i = χ.E [2.18] So sánh [2.17] và [2.18] rút ra: χ = 10−3 α C F ν Z [Uo + Vo] [2.19] Mặt khác, ta có: λ = χdlg/l1000.C = α F [Uo + Vo] [2.20] Các phương trình [2.19] và [2.20] thể hiện mối quan hệ giữa độ dẫn điện riêng và độ dẫn điện đương lượng với tốc độ chuyển động tuyệt đối của cation và anion. 2.4 Linh độ ion Tích số của hằng số Faraday và tốc độ tuyệt đối của cation Uo được gọi là linh độ cation: U = F . Uo [2.21] và linh độ anion: V = F . Vo [2.22] Kết hợp [2.22] và [2.20] ta có: λ = α [U + V] [2.23] Đối với dung dịch loãng C → 0, α → 1 khi đó độ dẫn điện đương lượng λ được gọi là độ dẫn điện đương lượng ở nồng độ vô cùng loãng λ∞ và phương trình [2.23] có dạng: λ∞ = U∞ + V∞ [2.23a] trong đó U∞ và V∞ là linh độ cation và anion ở nồng độ vô cùng loãng [còn gọi là linh độ tới hạn] hoặc: λ∞ = +∞λ + −∞λ [2.24] 6+∞λ và −∞λ là độ dẫn điện đương lượng của cation và anion ở nồng độ vô cùng loãng [C → 0]. Dựa vào công thức [2.24] khi biết độ dẫn điện đương lượng của ion tại nồng độ vô cùng loãng tính được độ dẫn điện đương lượng phân tử ở nồng độ vô cùng loãng. Ví dụ: Tính λ∞ của axit axetic cho biết: Chất điện li HCl CH3COONa NaCl λ∞ [Ω−1.cm2.đlg−1] 426,00 91,00 126,50 Theo công thức [2.24] ta có thể viết: λ∞ [CH3COOH] = λ∞ [H+] + λ∞ [CH3COO−] = λ∞ [HCl] + λ∞ [CH3COONa] − λ∞ [NaCl] = 426,00 + 91,00 − 126,50 = 390,6 Giá trị linh độ tới hạn của ion +3HO và OH− rất lớn so với các cation và anion khác. Trong môi trường nước các ion này chuyển động theo cơ chế đặc biệt - cơ chế truyền cho proton giữa chúng và phân tử HOH bên cạnh. Bảng 2.1 Giá trị linh độ tới hạn của một số cation và anion Cation +3HO Na+ K+ +4NH Ca2+ Zn 2+ Giá trị linh độ V∞ [25oC] 349,8 50,1 73,5 73,5 59,5 52,8 Anion OH− F− −4ClO−3HCO−24SO Giá trị linh độ V∞ [25oC] 197,6 55,4 67,3 64,6 80 Đối với ion OH− Mặt khác trong cùng một điều kiện giá trị linh độ tới hạn của ion phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ và dung môi [xem bảng 2.2]. H O HH++ O HH OHH ++H O HH+ OHH O HH+ OH OH 7Bảng 2.2 Giá trị linh độ tới hạn của ion phụ thuộc vào một số điều kiện Dung môi 25oC Nhiệt độ Nồng độ H+ ở 25oC H2O C2H5OH 0oC50oC 0,01N 0,1N Giá trị linh độ U∞ [H+] 349,8 62 240 465 338,9 325,5 Trong dung môi nước 2.5 Sự phụ thuộc của độ dẫn điện vào nồng độ dung dịch chất điện li Độ dẫn điện của dung dịch chất điện li phụ thuộc vào toàn bộ ion có mặt trong dung dịch, nghĩa là phụ thuộc vào nồng độ dung dịch và độ điện li α. Đối với chất điện li yếu 1-1 với nồng độ C và độ điện li α: AB U A− + B+ Vậy tổng số ion trong một đơn vị thể tích 1 cm3 bằng: μ+ + μ− = αA2. .C.N1000 = const α.C [2.25] Tổng số ion trong một đơn vị thể tích tỉ lệ với tích số α.C. Đối với dung dịch chất điện li yếu, trong dung dịch đậm đặc độ điện li α rất nhỏ. Vì vậy, nồng độ ion tỉ lệ với tích số của α.C và trong dung dịch không có khái niệm khí quyển ion. Khi dung dịch rất loãng, khoảng cách giữa các ion rất lớn cho nên các ion chuyển động một cách độc lập, độ dẫn điện đương lượng của các ion đạt giá trị tới hạn +∞λ và −∞λ. Độ dẫn điện riêng χ và độ dẫn điện đương lượng của dung dịch chất điện li yếu được tính theo các phương trình sau: χ = α.C1000[+∞λ + −∞λ ] [2.26] và λ = α[+∞λ + −∞λ] [2.27] Kết hợp với [2.24] ta có: α = ∞λλ [2.28] Vậy độ dẫn điện riêng χ của chất điện li yếu phụ thuộc vào nồng độ [xem hình 2.3] song sự biến đổi của nó rất nhỏ khi tăng nồng độ chất điện li. 8 Hình 2.3 Sự phụ thuộc của độ dẫn điện riêng χ vào nồng độ C Đối với chất điện li mạnh có liên kết ion, ví dụ hợp chất muối, mạng tinh thể của nó cấu tạo từ các ion và khi hoà tan trong nước hoặc trong các dung môi có hằng số điện môi lớn thì xung quanh ion luôn hình thành các lớp vỏ hiđrat [hoặc xonvat] ngăn cản sự tái kết hợp tạo thành các phân tử. Trong những môi trường đó chất điện li bị phân li hoàn toàn hoặc gần hoàn toàn ngay cả khi nồng độ cao và nồng độ ion bằng nồng độ dung dịch. Vậy độ dẫn điện đương lượng λ của hợp chất bằng tổng số độ dẫn điện đương lượng của các ion: λ = λ+ + λ− [2.29] Vậy độ dẫn điện đương lượng của các chất điện li mạnh trong dung dịch nước phụ thuộc vào nồng độ được xác định chủ yếu bằng các lực tương tác giữa các ion, nghĩa là vào khoảng cách giữa các ion và bản chất của môi trường. Sự có mặt của những tương tác này gây ra sự kìm hãm nhất định đối với sự chuyển động của cation và anion, nghĩa là làm giảm linh độ của chúng khi tăng nồng độ. Gọi λ∞ là độ dẫn điện đương lượng tới hạn của dung dịch chất điện li mạnh trong dung dịch rất loãng không tính đến tương tác giữa các phần tử trong dung dịch. Tại nồng độ xác định, độ dẫn điện đương lượng λ [2.29] luôn luôn nhỏ hơn λ∞ và bằng: λ = λ∞ − λI − λII [2.30] trong đó: – λI là hiệu ứng kìm hãm điện di do sự tương tác tĩnh điện của lớp vỏ ion ngược dấu với ion trung tâm bị dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường ngoài. Theo Onsage hiệu ứng kìm hãm λI tỉ lệ với căn bậc hai nồng độ C. – λII là hiệu ứng kìm hãm phục hồi còn lại gọi là hiệu ứng bất đối xứng. Sự tồn tại của hiệu ứng này là do sự tương tác của một phần lớp vỏ khí quyển ion có điện tích trái dấu chưa bị phá vỡ hoàn toàn với ion trung tâm bị dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường ngoài. Hiệu ứng λII cũng tỉ lệ với C và độ nhớt. Phương trình [2.30] có thể viết: λ = λ∞ − aC [2.31] Phương trình [2.31] chỉ áp dụng cho dung dịch chất điện li mạnh có nồng độ không vượt quá 10−2 đlg/l. 9Hệ số a phụ thuộc vào bản chất dung môi, nghĩa là vào hằng số điện môi cũng như độ nhớt của nó, vào nhiệt độ. Có thể xác định nó bằng thực nghiệm hoặc tính trên cơ sở lí thuyết dung dịch. Cũng cần phải nhấn mạnh rằng, đối với dung dịch chất điện li mạnh rất loãng C → 0 thì λ → λ∞ và trong dung dịch không còn tồn tại khí quyển ion và có thể viết: λ∞ = +∞λ + −∞λ [2.32] Phương trình [2.32] tương tự phương trình [2.24] áp dụng cho dung dịch chất điện li yếu và cũng được gọi là định luật chuyển động độc lập của ion. Tỉ số giữa độ dẫn điện đương lượng λ của chất điện li mạnh tại nồng độ đã cho trước so với độ dẫn điện đương lượng tới hạn λ∞ gọi là hệ số độ dẫn fλ. Đại lượng này đặc trưng cho sự tương tác giữa các ion. fλ = ∞λλ = +−+−∞∞λ+λλ+λ [2.33] Hệ số độ dẫn phụ thuộc vào hoá trị của các ion [xem bảng 2.3]. Bảng 2.3 Giá trị hệ số độ dẫn fλ phụ thuộc vào hoá trị ion Loại dung dịch chất điện li với nồng độ 0,1N 1-1 1-2 1-3 Giá trị fλ 0,8 ≈ 0,75 0,4 Khi dung dịch rất loãng, lực tương tác tĩnh điện rất nhỏ, tác dụng kìm hãm rất nhỏ và có thể bỏ qua sự khác biệt của fλ phụ thuộc vào hoá trị ion. Độ dẫn điện riêng của chất điện li mạnh phụ thuộc vào số ion trong 1 cm3 dung dịch và tốc độ tuyệt đối của chúng. Khi tăng nồng độ thì số ion trong 1 cm3 dung dịch tăng lên song tốc độ tuyệt đối giảm. Sự tương quan giữa các yếu tố đó dẫn đến sự xuất hiện độ dẫn điện riêng cực đại [xem hình 2.3]. Việc so sánh ảnh hưởng của nồng độ đến độ dẫn điện đương lượng của các chất điện li mạnh và yếu được thể hiện trên các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của λ vào nồng độ C [hình 2.4] và vào C [hình 2.5]. 10 Hình 2.4 Sự phụ thuộc của độ dẫn đương lượng λ vào nồng độ C Hình 2.5 Sự phụ thuộc của độ dẫn điện điện đương lượng λ vào C đlg/l Chất điện li mạnh có độ dẫn điện đương lượng rất lớn ngay cả đối với dung dịch đậm dặc. Khi tăng độ pha loãng độ dẫn điện đương lượng tăng. Trong miền dung dịch loãng sự phụ thuộc của λ vào C đối với chất điện li mạnh có quan hệ tuyến tính và tuân theo phương trình [2.31] [xem hình 2.5]. Đối với dung dịch chất điện li yếu, ngay cả khi nồng độ rất loãng giá trị độ dẫn điện đương lượng λ cũng rất nhỏ và chỉ khi nồng độ rất nhỏ C → 0 thì nó tăng đột ngột đạt đến giá trị tới hạn λ∞. Trên hình 2.5 cũng cho thấy sự phụ thuộc λ và C đối với chất điện li yếu là tuyến tính tại vùng nồng độ rất nhỏ. Dựa vào đường cong trên hình [2.5] cho phép ngoại suy và tính được λ∞ đối với chất điện li mạnh [đối với dung dịch KCl, LiCl]. 2.6 Số vận tải Khi dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li, trên catot xảy ra phản ứng phóng điện của các cation và trên anot các anion nhường điện tử hoặc có sự hoà tan kim loại. Hiện tượng đó gọi là sự điện phân. Theo định luật Faraday, lượng chất được thoát ra hoặc bị mất đi trên các điện cực trong quá trình điện phân tỉ lệ với lượng điện đi qua bình điện phân cũng như tỉ lệ với đương lượng hoá học của các chất. Để có được một đương lượng gam chất thoát ra hoặc mất đi trên các điện cực cần phải có một Faraday [96493 C] - 1 F điện lượng đi qua bình điện phân. Biểu thức định lượng của định luật Faraday: μ = ga = I.t96493 [2.34] trong đó: 11μ - Số đương lượng chất biến đổi trên điện cực, g - Lượng chất thoát ra hoặc mất đi trên điện cực [gam], a - Đương lượng chất tính theo gam và a = A/Z, trong đó A là khối lượng phân tử [hoặc nguyên tử tính theo gam], Z là số electron tham gia phản ứng [hoặc số oxi hoá - hoá trị của ion]; I - Cường độ dòng điện [Ampe] đi qua bình điện phân; t - Thời gian [giây] điện phân. Vậy từ [2.34] ta có: g = AZ.I.t96493 = AZ.I.tF [2.35] Khi điện phân, các ion chuyển điện tích, lượng điện đi qua các điện cực luôn luôn bằng nhau, nhưng mỗi loại ion chuyển điện không giống nhau vì tốc độ chuyển động của chúng khác nhau. Phần điện do cation hoặc anion tải đi trong quá trình điện phân gọi là số tải t. Số tải cation là: t+ = +oooUUV = ++−λλ+λ = +UUV [2.36] t+ là số vận tải cation bằng tỉ số tốc độ tuyệt đối của cation so với tổng tốc độ tuyệt đối của hai loại ion [hoặc biểu diễn qua linh độ ion]. Tương tự t− là số tải anion chính bằng tỉ số tốc độ tuyệt đối của anion so với tổng tốc độ tuyệt đối của cả hai loại ion [hoặc biểu diễn qua linh độ ion]. t− = oooVUU+ = VUU+ = +−−λ+λλ [2.37] Vậy t+ + t− = 1 [2.38] Dựa vào sự biến đổi nồng độ tại các khu vực catot và anot có thể xác định được số tải. Xét quá trình điện phân với các điện cực trơ [platin]. Giả thiết chia bình điện phân thành ba khu vực - khu catot, khu giữa và khu anot [xem hình 2.6]. Hình 2.6 Sơ đồ các khu vực của bình điện phân ứng với sự biến đổi nồng độ khi tỉ số tốc độ chuyển động tuyệt 12đối Uo/Vo = 2/3 1. Trạng thái trước điện phân; 2. Trạng thái sau điện phân Trước khi điện phân nồng độ hai khu catot và anot bằng nhau [mỗi dẫu +, − thể hiện phần đương lượng gam, ví dụ 0,01 đlg]. Giả thiết tốc độ tuyệt đối cation Uo và anion Vo là ooUV = 23, nghĩa là khi xảy ra điện phân có 0,01 × 2 đương lượng gam cation được chuyển đến catot, ngược lại có 0,01 × 3 đương lượng gam anion được chuyển đến anot [xem hình 2.4, trạng thái 2]. Những ion không cặp đôi tham gia phóng điện và tổng số đương lượng cation và anion phóng điện trên catot và anot đều bằng: 0,03 + 0,02 = 0,05 đlg = Δn Gọi Δna và Δnc là độ giản nồng độ đương lượng của chất điện li tại khu anot và khu catot sau điện phân, ta có: ΔΔacnn = ooUV = 0,01.20,01.3 = 23 [2.39] Mặt khác: Δn = Δna + Δnc [2.40] Từ [2.39] và [2.40] ta có: t+ = +oooUUV = ΔΔann và t− = +oooUUV = ΔΔcnn [2.41] Từ [2.41] rút ra: Số tải cation t+ bằng tỉ số độ giảm nồng độ tại anot [Δna] so với độ giảm lượng chất của toàn bộ [Δn] quá trình điện phân, một cách tương tự số tải anion t− chính bằng tỉ số độ giảm nồng độ tại khu catot [Δnc] so với độ giảm lượng chất của toàn bộ quá trình điện phân [Δn]. Trong một số trường hợp số tải cation t+ bằng tỉ số độ giảm nồng độ tại khu catot [Δnc] và số tải anion t− bằng tỉ số độ giảm nồng độ tại khu anot [Δna] so với độ giảm lượng chất của toàn bộ quá trình điện phân [Δn]. Ví dụ tính số tải t+ và t− đối với quá trình điện phân dung dịch NaOH và H2SO4. Sự hiểu biết về số tải có ý nghĩa nhất định đối với lí thuyết dung dịch chất điện li, cho phép tính được giá trị độ dẫn điện của ion theo công thức: +∞λ = λ∞.t+ [2.42] λ∞ - độ dẫn điện đương lượng của phân tử ở nồng độ vô cùng loãng. 132.7 Phương pháp đo độ dẫn diện và ứng dụng 2.7.1 Phương pháp đo độ dẫn điện Sử dụng cầu đo bằng dòng xoay chiều để xác định độ dẫn điện của dung dịch chất điện li [xem hình 2.7]. Hình 2.7 Sơ đồ mạch đo độ dẫn điện của dung dịch chất điện li Các điện trở R1 và R2 được chọn trước để có 12RR = 1. Điều chỉnh RM sao cho không có dòng điện đi qua CD. Khi đó đồng hồ G chỉ số không [hoặc dùng ống nghe có giá trị nhỏ nhất]. Khi cầu cân bằng ta có: I1 RM = I2 R1 và I1 Rx = I2 R2 Vậy MxRR = 12RR = 1 ⎯→ RM = Rx Rx - là điện trở của bình đo điện hoá gồm hai điện cực platin phủ kim loại platin có diện tích hình học 1cm2 và cách nhau 1 cm, trong đó chứa dung dịch chất điện li cần xác định điện trở. Các điện trở R1 và R2 được chọn trước. Điện trở mẫu RM [biến đổi]. Rx - điện trở bình đo độ dẫn. Theo công thức [2.3] độ dẫn điện riêng χ của dung dịch điện li được tính: χ = x1R = AS = xKR [2.43] K = AS[cm−1] gọi là hằng số bình. Rx được xác định bằng thực nghiệm, biết hằng số K là tính được χ. 14Để xác định hằng số K phải sử dụng dung dịch chuẩn KCl 0,02N có giá trị χ đã biết, χ = 0,002765 Ω−1.cm−1 ở 25oC. Bằng thực nghiệm đo điện trở RKCl của dung dịch 0,02N KCl và suy ra hằng số K: K = 0,002765.RKCl Theo phương trình [2.43], biết hằng số K có thể đo được điện trở Rx của dung dịch chất điện li bất kì và suy ra độ dẫn điện riêng χ. 2.7.2 Ứng dụng của phương pháp đo độ dẫn điện Phương pháp đo độ dẫn điện có rất nhiều ứng dụng trong nghiên cứu và thực tế, dưới đây xin nêu hai trường hợp. a] Xác định độ tan muối ít tan Đối với dung dịch muối ít tan, độ tan S [tính theo số đương lượng gam có trong một lít dung dịch] chính bằng nồng độ C [đlg/A hoặc mol/l] của muối ít tan trong dung dịch. Độ tan rất nhỏ và xem dung dịch là vô cùng loãng khi đó độ dẫn điện đương lượng của dung dịch được tính bằng: λ∞ = χ1000.S → S = ∞χλ1000. [2.44] Đo giá trị χ, λ∞ - độ dẫn điện đương lượng ở nồng độ vô cùng loãng cho trước [λ∞ = U∞ + V∞], từ đó suy ra S. b] Chuẩn độ bằng phương pháp đo độ dẫn điện [chuẩn độ dẫn điện kế] Nguyên tắc của việc chuẩn độ dẫn điện lế là đo độ dẫn điện riêng theo dõi sự thay thế ion có linh độ ion lớn [H+] bằng ion có linh độ bé hơn [OH−] hoặc ngược lại. Từ đó xác định điểm tương đương cho quá trình chuẩn độ. Ví dụ: Chuẩn độ dung dịch axit mạnh HCl bằng bazơ mạnh NaOH [xem hình 2.8]. Phản ứng xảy ra trong quá trình chuẩn độ: HCl + NaOH = H2O + NaCl [2.45] H+ + OH− = HOH [2.46] Tại điểm A - ứng với nồng độ ban đầu của ion H+ có giá trị χ lớn nhất. Theo sự tăng dần số ml dung dịch NaOH cho vào dung dịch axit ban đầu xảy ra phản ứng [2.45], [2.46], nồng độ ion H+ giảm do đó độ dẫn điện χ giảm, χ có giá trị cực tiểu khi [H+] = [OH−]. 15 Hình 2.8 Đường cong chuẩn độ dẫn điện kế AOB - chuẩn độ axit HCl bằng dung dịch NaOH; A’O’B’ - chuẩn độ axit yếu bằng bazơ mạnh; V - điểm tương đương Cho dư [OH− ] thì độ dẫn điện χ tăng theo đường OB. Điểm O được xác định bằng cách ngoại suy 2 đoạn thẳng AO và BO, và gọi là điểm tương đương của phép chuẩn độ. Đường thẳng OB luôn luôn có độ dốc nhỏ hơn OA là vì linh độ ion H+ lớn hơn linh độ OH−. Đường A’O’B’ biểu diễn sự biến đổi của độ dẫn điện riêng phụ thuộc vào số ml dung dịch NaOH trong quá trình chuẩn độ axit yếu bằng bazơ mạnh. Axit yếu phân li thành H+ với độ α rất nhỏ, vậy nồng độ H+ rất nhỏ và độ dẫn điện χ rất nhỏ [điểm A’]. Khi thêm dung dịch NaOH vào dung dịch axit yếu, dung dịch axit yếu bị loãng ra vì thế nồng độ [H+] và nồng độ [Na+] tăng lên và dẫn đến sự tăng dần giá trị độ dẫn điện χ theo đoạn thẳng A’O’. Tăng dần nồng độ OH− , khi OH− dư và độ dẫn điện của dung dịch tăng theo O’B’. Độ dốc đoạn thẳng O’B’ lớn hơn O’A’ vì linh độ OH− lớn. Điểm ngoại suy O’ cắt nhau của 2 đoạn thẳng A’O’ và O’B’ chính là điểm tương đương của quá trình chuẩn độ.