CC BY
31DOI: 10.6060/tcct.2017606.5535 УДК: 544.6.018.44
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ СУЛЬФАТА НАТРИЯ В ВОДНО-ЭТАНОЛЬНЫХ РАСТВОРАХ
И.М. Борисов, А.А. Набиев, А.А. Мухамедьянова, Л. Солиев, А.Ф. Тошов, Д.М. Мусоджонова
Иван Михайлович Борисов *, Аъзамджон Абдухалимович Набиев
Кафедра химии, Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы, ул. Октябрьской революции, 3а, Уфа, Российская Федерация, 450000 Е-mail: borisovIM@yandex.ru *, azamjon.94@inbox.ru
Альфия Альфировна Мухамедьянова
Кафедра общей, аналитической и прикладной химии, Уфимский государственный нефтяной технический университет, ул. Космонавтов 1, Уфа, Российская Федерация, 450062 Е-mail: alfia2811@yandex.ru
Лутфулло Солиев, Аъзамджон Фозилович Тошов, Джамила Мансуровна Мусоджонова
Кафедра общей и неорганической химии, Таджикский государственный педагогический университет им. С. Айни, пр. Рудаки, 121, Душанбе, Республика Таджикистан,733740 Е-mail: soliev.lutfullo@yandex.com, atoshov_00@mail.ru, musojonova-j@mail.ru
Кондуктометрическим методом показано снижение степени электролитической диссоциации сульфата натрия с увеличением доли этанола в водно-спиртовом растворе. Установлено, что константа диссоциации сульфата натрия понижается с ростом концентрации спирта в растворе. Общепризнано, что степень электролитической диссоциации электролитов в растворе зависит от диэлектрической проницаемости растворителя. Вода и этанол сильно различаются диэлектрической проницаемостью. Поэтому при варьировании содержания спирта в смеси с водой возможно получение растворителей с различной диэлектрической проницаемостью, оказывающих влияние на равновесное состояние соли в растворе. Известно, что степень электролитической диссоциации электролита зависит не только от его природы, но и от диэлектрической проницаемости среды. Поэтому в водно-этанольных растворах с увеличением содержания спирта сульфат натрия должен проявлять свойства слабого электролита. В этом случае зависимость молярной электропроводности от концентрации сульфата натрия в водно-эта-нольных растворах будет иметь другой вид. Действительно, с увеличением содержания спирта в водно-этанольных растворах снижается молярная электропроводность вследствие понижения степени электролитической диссоциации Na2SO4. С понижением [Ма$О4] возрастает электропроводность, приближаясь к ко, как для водного, так и для водно-спиртовых растворов. Как следует из полученных данных, зависимость к от [^2^О4]о для водного раствора с высоким коэффициентом корреляции трансформируется в прямую линию в координатах уравнения Кольрауша, так как сульфат натрия в водной среде выступает сильным электролитом. Для водно-этанольных растворов высокий коэффициент корреляции наблюдается в случае [С2Н5ОН]>60 %объёмных. Это означает, что в этих растворах сульфат натрия проявляет свойства слабого электролита. При содержании спирта от 10% до 50% объёмных сульфат натрия выступает электролитом средней силы, и поэтому характерны низкие коэффициенты корреляции для различных трансформаций.
Ключевые слова: cульфат натрия, водно-этанольный раствор, электролитическая диссоциация, константа диссоциации, кондуктометрия
UDC: 544.6.018.44
ELECTROLYTIC DISSOCIATION OF SODIUM SULFATE IN AQUEOUS ETHANOL SOLUTIONS I.M. Borisov, A.A. Nabiev, A.A. Mukhamedyanova, L. Soliev, A.F. Toshov, Dzh.M. Musodzhonova
Ivan M. Borisov *, Azamdzhon A. Nabiev
Department of Chemistry, M. Akmulla Bashkir State Pedagogical University, October Revolution st., 3a, Ufa, 450000, Russia
E-mail: BorisovIM@yandex.ru *, Azamjon.94@inbox.ru Alfia A. Mukhamedyanova
Department of general, analytical and applied chemistry, Ufa State Petroleum Technological University, Kos-monavtov st., 1, Ufa, Russia, 450062 E-mail: alfia2811@yandex.ru
Lutfullo Soliev, Azamdzhon F. Toshov, Jamila M. Musodzhonova
Department of General and Inorganic Chemistry, S. Aini Tajik State Pedagogical University, Rudakiave ave., 121, Dushanbe, 733740, Tajikistan
E-mail: soliev.lutfullo@yandex.com, atoshov_00@mail.ru, musojonova-j@mail.ru
The reducing the degree of electrolytic dissociation of sodium sulphate with the increasing a proportion of ethanol in the hydroalcoholic solution was shown with the conductometric method. It was established that the dissociation constant of sodium sulfate decreases with the increasing a concentration of alcohol in the solution. Physico-chemical properties of sodium sulfate in water-alcohol solutions on salt solubility and dissociation were not studied. In this regard, in the present study we examined an electrolytic dissociation of sodium sulfate in water-ethanol solutions. Firstly, a saturated aqueous solution of sodium sulfate, sodium sulfate solubility process was observed with the aid of crystal optic method. For this purpose, a saturated aqueous sodium sulfate was added, and the calculated amount of alcohol measured on mass ofprecipitated sodium sulfate decahydrate after drying to constant weight. By weight difference between the original and the precipitate salt (calculated as sodium sulphate) dissolved salt mass was measured. It is generally recognized that the degree of dissociation of the electrolyte in the electrolytic solution depends on the dielectric constant of the solvent. Water (e= 78.53) and ethanol (e= 24.3) has vary large permittivity. Therefore, by varying the alcohol content in the mixture with water it may receive different solvents with a dielectric constant, affecting the equilibrium state in the salt solution. To find the degree of electrolytic dissociation used Na2SO4 conductometric method based on measuring the electrical conductivity of solutions with variable molar concentration of salt and alcohol was applied. The dependence of the molar conductivity of aqueous solutions of sodium sulphate is transformed to direct line in coordinate of Kohlrausch equation. It is known that the degree of electrolytic dissociation of the electrolyte depends not only on its nature, but on the dielectric constant of the medium. Therefore, in water-ethanol solutions sodium sulfate shows the properties of weak electrolyte. In this case, the dependence of conductivity on the molar concentration of sodium sulphate in water-ethanol solutions will have a different appearance.
Key words: conductometry, aqueous-alcoholic solution, dissociation constant, electrolytic dissociation Для цитирования:
Борисов И.М., Набиев А. А., Мухамедьянова А. А., Солиев Л., Тошов А.Ф., Мусоджонова Дж.М. Электролитическая диссоциация сульфата натрия в водно-этанольных растворах. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2017. Т. 60. Вып. 6. С. 59-64. For citation:
Borisov I.M., Nabiev A.A., Mukhamedyanova A.A., Soliev L., Toshov A.F., Musodzhonova Dzh.M. Electrolytic dissociation of sodium sulfate in aqueous ethanol solutions. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2017. V. 60. N 6. P. 59-64.
ВВЕДЕНИЕ
Физико-химические свойства сульфата натрия в водно-спиртовых растворах представлены в виде данных о растворимости соли [1], а электролитическая диссоциация соли практически не изучена. В связи с этим в настоящей работе изучены закономерности электролитической диссоциации сульфата натрия в водно-этанольных растворах.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В эксперименте использован сульфат натрия марки «х.ч.», который дополнительно подвергнут очистке перекристаллизацией. Этанол-ректификат, произведенный на спирто-водочном заводе для пищевых целей, имел концентрацию 96% объемных и использовался без дополнительной очистки. Дистиллированная вода имела удельную электрическую проводимость 0,005 См/м, которая не превышала 7% от электроповодности самых разбавленных исследуемых растворов.
Растворимость соли в водно-спиртовых растворах при (25±1) °С определяли гравиметрическим методом. Готовили насыщенный водный раствор сульфата натрия, при этом достижение насыщения раствора определяли кристаллооптиче-ским методом с помощью микроскопа ЬеуепЬик 670 БТ. Для определения растворимости соли в водно-спиртовых растворах в насыщенный водный раствор сульфата натрия добавляли расчетное количество спирта и измеряли массу выпавшего осадка соли после осушки до постоянной массы. По разности исходной массы соли и выпавшего осадка (в пересчете на сульфат натрия) определяли массу растворенной соли.
Удельную электропроводность растворов сульфата натрия ж определяли с помощью кондуктометра «ишргасйс». Молярную электропроводность 1 находили по формуле
1 = ж/(1000-[Ка2804]о).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Общепризнано, что степень электролитической диссоциации электролитов в растворе зависит от диэлектрической проницаемости растворителя. Вода (е = 78,53) и этанол (е = 24,3) сильно различаются диэлектрической проницаемостью. Поэтому при варьировании содержания спирта в смеси с водой возможно получение растворителей с различной диэлектрической проницаемостью,
оказывающих влияние на равновесное состояние соли в растворе.
Известно [1, 2], что с повышением содержания спирта в растворе снижается растворимость Na2SO4. В табл. 1. приведены данные о растворимости N2SO4 при 25 °С в водно-этанольных растворах, описанные в литературе и полученные нами дополнительно.
Таблица 1
Растворимость Na2SO4 в водно-этанольных растворах, t = 25 °С Table 1. Na2SO4 solubility in water-ethanol solutions, t = 25 °C
Как видно из данных табл. 1, с увеличением концентрации спирта снижается растворимость Na2S04, что, естественно, связано с уменьшением диэлектрической проницаемости среды.
Для нахождения степени электролитической диссоциации Na2S04 использован кондуктомет-рический метод, основанный на измерении молярной электропроводности растворов с переменной концентрацией соли и спирта. Зависимость молярной электропроводности водных растворов сульфата натрия как сильного электролита от концентрации соли описывается уравнением Кольрауша [3].
X = ^0 - а- [Na2S04]o1/2, (1)
где X - молярная электропроводность раствора; Х0 -предельная молярная электропроводимость раствора; [Na2S04]o - исходная концентрация сульфата натрия; а - параметр, характеризующий элек-трофоретический и релаксационный эффекты торможения ионов.
Известно [3], что степень электролитической диссоциации электролита зависит не только от его природы, но и от диэлектрической проницаемости среды. Поэтому в водно-этанольных растворах с увеличением содержания спирта сульфат натрия должен проявлять свойства слабого электролита. В этом случае зависимость молярной
Состав насыщенного раствора, масс.%
Сульфат натрия Этанол Вода
Лит. Экспе- œ Лит. Экспе- Лит. Экспе-
данные [1] римент См-м-1 данные [1] римент данные [1] римент
21,9 20,6 2,681 0,0 0,0 78,1 79,4
12,2 18,3 2,681 9,3 6,7 78,5 75,0
16,9 2,661 13,8 69,2
4,3 14,6 2,549 22,9 21,8 72,8 63,6
10,7 1,707 31,1 58,3
7,2 0,971 41,2 51,5
0,4 3,3 0,526 54,4 52,7 45,6 43,4
2,0 0,287 63,8 34,2
0,4 0,147 75,9 23,7
0,2 0,070 87,6 12,2
электропроводности от концентрации сульфата натрия в водно-этанольных растворах будет иметь другой вид. Если сульфат натрия в водно-этаноль-ных растворах представить слабым электролитом, имеющим степень электролитической диссоциации а, то согласно уравнению
№2804 ~ 2Ш+ + 8042" равновесные концентрации соли и ионов
равны:
[№2804^ = (1-а)-[№2804]0; [№+]равн = =2а•[Na2S04]o; [8042-]равн = а•[Na2S04]o, где [Na2S04]o - исходная концентрация соли
Тогда константа диссоциации соли предстает в виде:
Кдис = (4а2-[№2804]02)/(1- а) (2)
Степень электролитической диссоциации слабого электролита может быть найдена из соотношения [3],
а (3)
связывающего молярную электропроводность X раствора с определенной концентрацией с предельной молярной электропроводностью Х0.
Уравнение (2) с учетом (3) после небольших преобразований можно записать следующим образом:
4Х3-[^2804]20 = Кдис-Х03 - Кдис^Х (4)
Зависимость 4X3[Na2S04]2o от X графически представляет прямую линию, тангенс угла наклона который равен КдисХ02, а отсечение на ось ординаты равно КдисХ03. После нахождения графически отсечения и тангенса угла наклона с использованием метода наименьших квадратов предельная электропроводимость определяется как отношение этих величин.
Х0 = Кдис-Х03/Кдис- Х02 (5)
Используя полученное значение Х0, величину константы диссоциации соли в водно-эта-нольном растворе можно вычислить через значение тангенса угла наклона:
Кдис = тангенс угла наклона/Х0
(6)
Действительно, с увеличением содержания спирта в водно-этанольных растворах снижается молярная электропроводность (табл. 2) вследствие понижения степени электролитической диссоциации Na2S04. С понижением [Na2S04] возрастает электропроводность, приближаясь к Х0, как для водного [4], так и для водно-спиртовых растворов.
Экспериментальные зависимости X от [Na2S04] (табл. 2) линеаризуются в координатах уравнений (1) и (4) (рисунок) с различными коэффициентами корреляции (табл. 3), найденными методом наименьших квадратов.
Таблица 2
Зависимость молярной электропроводимости от концентрации сульфата натрия
[Н2О]: [С2Н50Н], Объемные доли в%
100:00 С, (моль/л)1/2 1,802 0,901 0,451 0,225 0,113 0,056 0,028 0,014 0,007
X См-м2- моль-1 0,0015 0,0030 0,0059 0,0113 0,0151 0,0173 0,0187 0,0205 0,0210
90:10 С, (моль/л)1/2 1,518 0,759 0,380 0,190 0,094 0,047 0,024 0,012 0,006 0,003
X См-м2- моль-1 0,0018 0,0036 0,0069 0,00131 0,0175 0,0196 0,0223 0,0248 0,0277 0,0313
80:20 С, (моль/л)1/2 1,3106 0,6553 0,03276 0,1638 0,0819 0,0410 0,0205 0,0102 0,0051 0,0026
X См-м2- моль-1 0,0020 0,00393 0,00523 0,00596 0,00645 0,00678 0,00711 0,00745 0,0085 0,00969
70:30 С, (моль/л)1/2 1,0392 0,5196 0,02598 0,1299 0,0650 0,0325 0,0162 0,0081 0,0041 0,0020
X См-м2- моль-1 0,0024 0,00376 0,00414 0,00456 0,00487 0,00521 0,00555 0,00604 0,0062 0,00731
60:40 С, (моль/л)1/2 0,7145 0,3573 0,1786 0,0893 0,0447 0,0223 0,0112 0,0056
X См-м2- моль-1 0,0029 0,00327 0,00377 0,00416 0,00460 0,00513 0,00534 0,00566
50:50 С, (моль/л)1/2 0,4753 0,2377 0,1188 0,0594 0,0297 0,0149 0,0074 0,0037
X См-м2- моль-1 0,0013 0,00143 0,00161 0,00180 0,00196 0,00209 0,00218 0,00224
60:40 С, (моль/л)1/2 0,2120 0,1060 0,0530 0,0265 0,0133 0,0066
X См-м2- моль-1 0,0006 0,00066 0,00072 0,00078 0,00082 0,00087
70:30 С, (моль/л)1/2 0,1231 0,0616 0,0308 0,0154 0,0077 0,0038
X См-м2- моль-1 0,0008 0,00096 0,00109 0,00118 0,00125 0,00131
80:20 С, (моль/л)1/2 0,0261 0,01737 0,01303 0,00869 0,00652 0,00435
X См-м2- моль-1 0,0014 0,00157 0,00165 0,00176 0,00185 0,00193
90:10 С, (моль/л)1/2 0,0095 0,00634 0,00475 0,00317 0,00238
X См-м2- моль-1 0,0015 0,00168 0,00185 0,00189 0,00195
2
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,0015 0,0016 0,0017 0,0018 0,0019 0,0020
VC, (моль/л)1'2 Л, (См м2 моль1)
а б
Рис. Линейная зависимость экспериментальных данных в координатах уравнений (1) и (4), где С- [Na2SO4]o, и КДоз- отсечение, Кд-Хо2= tga - тангенс угла наклона. Объемные доли [Н2О]: [C2H5OH] в %: (а) 100:00, (б) 10:90 Fig. The linear dependence in the coordinates of equations (1) and (4), where C-[Na2SO4]0, and Кд-^03- clipping, КД02= tga - tangens
angle. Volume fractions of [H2O]: [C2H5OH] in % :(a) 100: 00, (б) 10:90
Как следует из данных табл. 3, зависимость X от [Ка2804]о для водного раствора с высоким коэффициентом корреляции трансформируется в прямую линию в координатах уравнения (1), так как сульфат натрия в водной среде выступает сильным электролитом. Для водно-этанольных растворов высокий коэффициент корреляции в координатах уравнения (4) наблюдается в случае [С2Н50Н]> 60% объемных. Это означает, что в этих растворах сульфат натрия проявляет свойства слабого электролита. При содержании спирта от 10% до 50% объемных сульфат натрия выступает электролитом средней силы и поэтому характерны низкие коэффициенты корреляции для трансформаций в координатах уравнений и (1) и (4).
Для вычисления констант диссоциации сульфата натрия в водно-этанольных растворах (табл. 4) использованы формулы (5) и (6).
Как видно из данных табл. 4, при повышении содержания спирта в растворах константа диссоциации сульфата натрия падает. Увеличение доли спирта в растворе понижает диэлектрическую проницаемость среды, вследствие чего снижаются степень электролитической диссоциации и величина константы диссоциации соли.
Экспериментальные данные опытов с [С2Н5ОН] =10 - 50% объемных подвергнуты полиномиальному анализу и вычислены значения предельной молярной электропроводности (табл. 5).
Таблица3
Коэффициенты корреляции линейных трансформаций Table 3. The correlation coefficients of linear transformations
[Н2О]: [C2H5OH], Объемные доли в% 100:0 90:10 80:20 70:30 60:40 50:50 40:60 30:70 20:80 10:90
Уравнение (1) 0,994 0,978 0,960 0,938 0,867 0,882 0,808 0,754 0,684 0,663
Уравнение (4) 0,221 0,260 0,601 0,824 0,968 0,974 0,991 0,996 0,997 1,000
Таблица 4
Константы диссоциации сульфата натрия в водно-этанольных растворах, Т = 25 °С
Table 4. Sodium sulfate dissociation constants in water-ethanol solutions, T = 25 °C_
[H2OMC2H5OH], Объемные доли в % 40 : 60 30 : 70 20 : 80 10 : 90
Кдис, (моль/л)2 (3,8±0,9)-10"3 (8,1±1,6)-10"4 (5,0±0,5)-10"4 (1,9±0,2)-10"4
Таблица 5
Зависимость предельной молярной электропроводности сульфата натрия от состава водно-этанольных растворов, Т = 25 °С
Table 5. The dependence of the limiting molar conductivity of sodium sulphate on the composition of the water-eth-_anol solutions, T = 25 °C_
[Н2О]: [C2H5OH], объемные доли в % 90 : 10 80 : 20 70 : 30 60 : 40 50 : 50
W103, (ом_1-м2-моль_1) 22,36±0,22 6,76±0,04 5,50±0,01 4,92±0,08 2,21±0,03
Как видно из данных табл. 5, величина предельной электропроводности сульфата натрия возрастает с увеличением доли воды в водно-этаноль-ных растворах и приближается к значению X0 = =(25,8 ± 1,1)10-3 Ом_1м2 моль_1 для водного раст-
вора соли, которое согласуется со справочными данными [5] Xo = 26,010-3 Ом_1м2моль_1.
Таким образом, добавление этанола к водному раствору сульфата натрия снижает степень электролитической диссоциации и константу диссоциации соли.
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочник по растворимости. Т.1. Бинарные системы. Кн.1. М.-Л.: Изд. Академии наук СССР. 1961. 960 с.
2. Измайлов Н.А. Электрохимия растворов. М.: Химия. 1976. 488 с.
3. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Цирлина Г.А. Электрохимия. М.: Химия. КолосС. 2006. 672 с.
4. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. А.А. Равделя, А.М. Пономаревой. СПб: Иван Федоров. 2003. 240 с.
REFERENCES
1. Handbook on solubility. V.1. Binary Systems.Book 1. M.-L.: Ed. Academy of Sciences of the USSR. 1961. 960 p. (in Russian).
2. Izmailov N.A. Electrochemistry of solutions. M.: Khimiya. 1976. 488 p. (in Russian).
3. Damaskin B.B., Petriy O.A., Tsirlina G.A. Electrochemistry. M.: Khimiya. Coloss. 2006. 672 p. (in Russian).
4. Short Handbook of physico-chemical quantities. Ed. A.A. Ravdel, A.M. Ponomareva. SPb.: Ivan Fedorov. 2003. 240 p. (in Russian).
Поступила в редакцию 29.12.2016 Принята к опубликованию 27.04.2017
Received 29.12.2016 Accepted 27.04.2017
