CC BY
5
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
УДК 541.133
КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОТЫ ИЛИ ЩЕЛОЧИ
Ю. П. Перелыгин
Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
Аннотация. В настоящее время известно несколько уравнений, которые устанавливают зависимость эквивалентной электропроводности раствора (X) от концентрации электролита в растворе не более 0,1 г-экв/л. Поскольку растворы кислот и щелочей с более высокой концентрацией достаточно широко используются в промышленности, то цель данной работы обусловлена необходимостью получения уравнения зависимости эквивалентной электропроводности от концентрации кислоты или щелочи при концентрации более 0,1 г-экв/л. На примере известных литературных данных по электропроводности раствора соляной, азотной кислот или гидроксида натрия получены уравнения зависимости эквивалентной электропроводности данных растворов от концентрации (до 9 моль/л для соляной кислоты, до 0,3 моль/л азотной кислоты и 0,5 моль/л гидроксида натрия) с коэффициентом корреляции уравнений 0,94-0,97. Определив удельную электропроводность раствора кислоты или щелочи по последнему уравнению, можно рассчитать их концентрацию.
Ключевые слова: электропроводность раствора, концентрация кислоты или щелочи, константа
Для цитирования: Перелыгин Ю. П. Кондуктометрический метод определения концентрации кислоты или щелочи // Вестник Пензенского государственного университета. 2024. № 1. С. 72-75.
Введение
Водные растворы кислот и щелочей достаточно широко используются при производстве радиоэлектронной аппаратуры [1], в машиностроении1 [2-4] и при обработке поверхностей металлов и пластмасс2. Таким образом, получение уравнения зависимости эквивалентной электропроводности от концентрации кислоты или щелочи представляет несомненный интерес.
Известно [5] несколько уравнений, которые устанавливают зависимость эквивалентной электропроводности раствора (X) от концентрации растворенного вещества, в том числе уравнение Кольрауша, уравнение Онзагера - Фуосса, формула Шедловского, уравнение Робинсона -
© Перелыгин Ю. П., 2024
1 ГОСТ 9.305-84. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. М. : Госстандарт, 1988. 183 с.
2 ИТС 36-2017. Обработка поверхностей металлов и пластмасс с использованием электролитических или химических процессов. М. : Бюро НДТ, 2017. 237 с. URL: https://files.stroyinf.ru
Стокса и формула Фалькенгагена. Каждое из этих уравнений выполняется в растворах с достаточно невысокой концентрацией (как правило, не превышает 0,1 г-экв/л).
Ранее [6] получено уравнение зависимости эквивалентной электропроводности (X) растворов солей от концентрации хлорида натрия и алюминия и нитрата серебра следующего вида:
1
X
х„
Х0а
(1)
с коэффициентом корреляции, равным 0,998-0,973 (где с - концентрация соли; а - константа, зависит от вида соли и температуры; - предельная эквивалентная электропроводность при бесконечном разбавлении).
Размерность константы а, как видно из уравнения, равна г-экв/л, и она численно равна эквивалентной концентрации соли, эквивалентная электропроводность которой равна половине эквивалентной электропроводности соли при бесконечном разбавлении, т.е. 1Х0.
Из данного уравнения следует, что должна соблюдаться линейная зависимость между 1А, и с. При этом на оси у при концентрации растворенного вещества, равной нулю, отрезок равен 1А,0, а тангенс угла наклона прямой равен 1/(Х0а), что позволяет определить и а.
Таким образом, получение линейного уравнения, которое позволит определить эквивалентную электропроводность при более высоких концентрациях кислот или щелочей, представляет определенный как теоретический, так и практический интерес, в частности, для определения концентрации кислоты [7, 8] или щелочи по известному значению электропроводности.
Экспериментальная часть
В табл. 1 приведены значения эквивалентной электропроводности (X) от концентрации (с) для растворов соляной (температура 25 °С) и азотной (температура 18 °С) кислот и гидроксида натрия (температура 18 °С), которые заимствованы из [9].
Таблица 1
Значения эквивалентной электропроводности (X) от концентрации (с) кислоты или щелочи
Соляная кислота, температура 25 °С
с, г-экв/м3 561 1058 1689 2868 4463 6109
1/с, м3/г-экв 0,0018 0,00095 0,0006 0,00035 0,00022 0,000164
% Ом-1 • м-1 20,21 35,01 50,62 69,84 82,12 84,35
1/Х 0,0495 0,0286 0,0198 0,0143 0,0122 0,0118
X • 104, Ом-1 ■ г-экв-1 ■ м2 360 331 300 243,5 184 138
1/ X 27,8 30,23 33,37 41 54,35 72,46
Азотная кислота, температура 18 °С
с, г-экв/м3 1 10 50 100 300
1/с, м /г-экв 1 0,1 0,02 0,01 0,0033
X • 104, Ом-1 • г-экв-1 • м2 375 368 357 350 334
1/ X 26,7 27,2 28 28,6 29,94
X, Ом-1 • м-1 0,0375 0,368 1,785 3,5 10,02
1/% 26,7 2,72 0,57 0,286 0,1
Гидроксид натрия, температура 18 °С
с, г-экв/м3 1 5 10 50 100 300 500
1/с, м3/г-экв 1 00,2 0,1 0,02 0,01 0,0033 0,002
% Ом-1 • м-1 0,021 0,105 0,2 0,95 1,83 5,22 8,6
1/% 48,1 9,85 5 1,05 0,546 0,19 0,116
X • 104, Ом-1 • г-экв-1 • м2 208 203 200 190 189 176 172
1/ X 48 49 50 52 53 56,8 58,1
с
Вестник Пензенского государственного университета. 2024. № 1
Расчеты, выполненные с применением метода наименьших квадратов, зависимости 1/Х от с для растворов соляной (при температуре 25 °С) и азотной (при температуре 18 °С) кислоты и раствора гидроксида натрия (при температуре 18 °С) описываются следующими уравнениями, которые соответствуют последнему уравнению:
1
- = 14,661 + 0,0108 с,
X
1
- = 27,18 + 0,0099 с,
X
1 = 27,18 + 0,019 с.
X
Коэффициенты корреляции данных уравнений соответственно равны 0,98; 0,954 и 0,94, что свидетельствует о достаточно высокой сходимости приведенных уравнений с результатами экспериментальных данных.
В табл. 2 приведены значения параметров Х0 и а, вычисленные по данным из последних трех уравнений, и табличные значения Х0 [9].
Таблица 2
Значения параметров Х0 и а
Раствор вещества Предельная эквивалентная электропроводность Х0 • 104 (Ом-1 • г-экв-1 • м2) Константа, а
Экспериментальное Табличное
на 682,1 425 1357
ИЧОэ 367,8 376 2745
NaOH 201 217 2619
Из табл. 2 видно, что вычисленные значения предельной эквивалентной электропроводности соляной кислоты отличаются от справочного значения, тогда как для азотной кислоты и гидроксида натрия отличие не превышает 2-3 %.
Константа а зависит от вида растворенного вещества и, очевидно, температуры.
Математическая обработка уравнения (1) с учетом, что X = %/с, приводит к следующему линейному уравнению зависимости концентрации кислоты (1/с) или щелочи от удельной электропроводности (1/х) раствора:
1 = Х>_1
с X а
Обработка экспериментальных данных, приведенных в табл. 1, методом наименьших квадратом приводит к следующим уравнениям для раствора соляной кислоты до концентрации 6 моль/л, азотной кислоты до 0,3 моль/л и гидроксида натрия до 0,5 моль/л соответственно с коэффициентом корреляции 0,998:
1/с = 0,0425(1/%) - 0,0003, 1/с = 0,0375(1/%) - 0,0011, 1/с = 0,0208(1/%) - 0,0021.
Следовательно, по измеренному значению удельной электропроводности раствора можно достаточно быстро определить концентрацию кислоты или щелочи.
Заключение
Таким образом, полученные уравнения могут быть использованы для расчета эквивалентной электропроводности растворов исследуемых кислот или щелочи в достаточно широкой обла-
сти концентраций, вплоть до 6 моль/л для соляной кислоты, до 0,3 моль/л для азотной кислоты и до 0,5 моль/л для гидроксида натрия.
По известной удельной электропроводности растворов кислоты или щелочи можно определять их концентрацию в растворе при производстве радиоэлектронной аппаратуры, в машиностроении и при обработке поверхностей металлов и пластмасс.
Список литературы
1. Черняев В. Н. Физико-химические процессы в технологии РЭА : учебник для вузов. М. : Высш. шк., 1987. 376 с.
2. Никифоров В. И. Электрохимические и электрофизические технологии в машиностроении. Электроэрозионные, химические и электрохимические методы обработки. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2013. 301 с. URL: https://elib.spbstu.ru
3. Белкин П. Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов. М. : Мир, 2005. 336 с.
4. Попилов Д. Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов: справочник. М. : Машиностроение, 1982. 400 с.
5. Дамаскин Б. Б., Петрий О. А., Цирлина Г. А. Электрохимия. СПб. : Лань, 2015. 672 с.
6. Перелыгин Ю. П. О влиянии концентрации соли на эквивалентную электропроводность ее водного раствора // Вестник Пензенского государственного университета. 2022. № 1. С. 83-86.
7. Перелыгин Ю. П. Кондуктометрический метод определения сульфата меди и ионов алюминия соответственно в сернокислых растворах меднения и анодирования // Гальванотехника и обработка поверхности. 1999. Т. 7, № 2. С. 33-34.
8. Перелыгин Ю. П., Кольчугина И. Г., Рашевская И. В., Флягин А. А. Удельная электропроводность водных растворов серной кислоты с добавлением сульфатов алюминия, меди или кадмия // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. 2017. № 2. С. 37-43.
9. Справочник по электрохимии / под ред. А. М. Сухотина. Л. : Химия, 1981. 488 с.
Информация об авторе
Перелыгин Юрий Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Химия», Пензенский государственный университет.
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
