Закономерности в удельной электропроводности водных растворов галогенидов щелочных металлов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.8; 544.6

Н. М. Кузнецов, Ю. Д. Загоскин, Ю. М. Артемкина, В. В. Щербаков

Российский химико-технологический университетим. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 г. Москва, Миусская пл., д.9

ЗАКОНОМЕРНОСТИ В УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ГАЛОГЕНИДОВ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

Проанализирована концентрационная и температурная зависимости удельной электропроводности (ЭП) водных растворов галогенидов щелочных металлов. Получено аналитическое уравнение, позволяющее на основе максимальной ЭП раствора и отвечающей ей концентрации рассчитывать ЭП растворов галогенидов щелочных металлов в широком интервале концентраций и температур.

Ключевые слова: удельная электропроводность, водные растворы, галогениды щелочных металлов.

При повышении концентрации удельная электропроводность (ЭП) водных растворов электролитов возрастает и в концентрированных растворах при достаточной растворимости проходит через максимум [1-6]. На рис. 1 приведена построенная по данным [7] зависимость удельной ЭП водных растворов некоторых электролитов от концентрации. Как видно из данных рис. 1, удельная ЭП уменьшается при переходе от кислот к щелочам и к неорганическим солям. В водных растворах

солей ^О, CaQ2, LaQз, рис. 1) усиление гидратации ионов приводит к уменьшению концентрации, отвечающей максимуму ЭП [1].

В растворах сильных электролитов повышение температуры приводит к смещению максимума в сторону больших концентраций [1], в то время как в водных растворах слабых электролитов положение максимума ЭП практически не зависит от температуры [5,6].

Рис. 1. Зависимость удельной ЭП от концентрации для водных растворов Ш804 (1), ЫС1 (2), ШОН (3), КОН (4), ЬаС1з (5), СаС12 (6), Н1Ч0з (7) при 25 оС

В работе [8] проанализирована температурная и концентрационная зависимости удельной электропроводности (ЭП) водных растворов CoSO4, MnSO4, NiSO4, ZnSO4 и CdSO4. Максимальная ЭП раствора Ктах и отвечающая ей концентрация Стах были использованы для обобщения

концентрационной и температурной зависимост1^ удельной ЭП водных растворов сульфатов. В этой работе было показано, что в широком интервале концентраций и температур на единую кривую укладываются величины приведенной

электропроводности (отношение ЭП к максимальному ее значению при данной температуре к/ктах), если в качестве аргумента использовать приведенную концентрацию (отношение концентрации раствора к ее величине, отвечающей максимальной удельной ЭП с/стах) [8].

В растворах галогенидов щелочных металлов только для солей лития экспериментально

Рис. 2. Зависимость приведенной ЭП от приведенной концентрации для водных растворов ЫС1 (1),М§С12 (2), СаС12 (3) при 15, 20, 25, 30, 35, 45, 55 оС; МСЬ (4), ЬаС1з (5) при 25 оС; КОН (6) обнаруживается существование максимума на зависимости удельной ЭП от концентрации [7,9]. Зависимость К/Ктах=/(С/Стах) для водных растворов хлорида лития укладывается на единую кривую для других хлоридов металлов, рис. 2, которая, в свою очередь, также является обобщающей кривой для водных растворов КОН [4]. Представленная на рис. 2 зависимость приведенной ЭП к/ктах от приведенной концентрации с/стах для водных растворов сильных электролитов описываются уравнением:

к/Ктах = 0,354(с/Стах)3 - 1,73(с/Стах)2 + 2,38с/Стах . (1)

Эта зависимость была нами использована для оценки Стах и Ктах водных растворов галогенидов других щелочных металлов, в растворах которых не наблюдается концентрационного максимума удельной ЭП. Рассчитанные с использованием справочных данных [7,9] величины Стах и Ктах приведены в табл.1 и 2.

Таблица 1. Максимальная удельная ЭП Ктах и отвечающая ей концентрация стах некоторых водных растворов

t, оС NaCl NaBr KCl KBr RbCl

£max, моль/л кmax, См/м сmax, моль/л кmax, См/м сmax, моль/л кmax, См/м сmax, моль/л кmax, См/м сmax, моль/л кmax, См/м

15 7,53 22,77 5,59 21,44 7,70 36,88 7,23 38,84 7,99 42,45

20 7,33 24,92 5,74 23,87 7,43 38,98 6,95 40,44 7,83 45,05

25 7,13 27,07 5,88 26,33 7,17 41,07 6,66 42,04 7,66 47,65

30 6,93 29,22 6,03 29,43 6,90 43,16 6,38 43,64 7,50 50,25

35 6,73 31,37 6,18 32,27 6,64 45,26 6,09 45,24 7,34 52,84

45 6,32 35,67 6,47 37,94 6,11 49,45 5,53 48,45 7,01 58,04

55 5,92 39,97 6,76 43,62 5,58 53,63 4,96 51,65 6,68 63,23

Таблица 2. Максимальная удельная ЭП Ктах и отвечающая ей концентрация стах некоторых водных растворов галогенидов щелочных металлов при

Nal KI

cmax, моль/л кmax, См/м cmax, моль/л кmax, См/м

5,4 26,0 7,9 50,0

RbBr R bl

7,5 47,5 7,0 45,0

Повышение температуры приводит к увеличению максимальной ЭП растворов. С ростом температуры, как выше отмечалось, происходит также смещение концентрационного максимума удельной ЭП исследуемых водных растворов. При этом, только в водных растворах NaBr с ростом температуры происходит смещение максимума ЭП в сторону более высоких концентраций, кривая 2, рис. 3. В растворах NaCl, KCl, KBr и RbCl повышение температуры приводит к смещению максимума в сторону низких концентраций, табл. 1.

9 8 7 б 5

1

е-2

3

1O

2O 3O

4O

50 60 t, oC

Рис. 3. Влияние температуры на концентрацию, отвечающую максимальной удельной ЭП водных растворов №С1 (1), ШБг (2) и КЪС1(Э)

Зависимость приведенной ЭП к/ктах от приведенной концентрации с/стах для 12 водных растворов галогенидов щелочных металлов представлена на рис. 4. Помимо 12 растворов

галогенидов щелочных металлов на единую кривую также укладываются экспериментальные значения к/ктах для водных растворов КЩВг и КОН.

1,2

0,8

0,4

"к/к.

C/Cm

О LiCl

♦ Nal Л NaBr о NaCl

■ KCl

♦ KBr

* KI

• CsCl ÄCsBr

■ RbBr A RbCl

• Rbl

□ NH4Br

□ KOH

Рис. 4. Зависимость приведенной ЭП от приведенной концентрации для водных растворов LiCl, KCl, KBr, RbCl, CsCl при 15, 20, 25, 30, 35, 45, 55 оС; NaCl, NaBr при 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 оС; CsBr при 4, 25, 60 оС; Nal, KI, RbBr, Rbl, NH4Br при 25 оС; KOH при 70 оС

В табл. 3 сопоставляются экспериментальные [7] и рассчитанные с использованием уравнения (1) значения удельной ЭП водных растворов хлоридов натрия и цезия. Как видно из представленных в этой таблице данных, расхождение между экспериментальными кэКсп. и расчетными красч. величинами удельной ЭП не превышает 10 %. Аналогичная погрешность характеризует расхождение расчетных и экспериментальных величин удельной ЭП и других исследованных водных растворов галогенидов щелочных металлов. Таким образом, уравнение (1) с указанной погрешностью может быть использовано для оценки удельной ЭП концентрированных водных растворов галогенидов щелочных металлов в широком интервале концентраций и температур.

о

5б

Таблица 3. Сопоставление экспериментальных (кэксп) [7] и расчетных (красч) по уравнению (1) величин удельной ЭП (См/м) водных растворов хлоридов натрия и цезия

NaCl CsCl

c, моль/л t, оС Кэксп. Красч. 5, % c, моль/л t, оС Кэксп. Красч. 5, %

0,490 45 6,544 6,211 5,1 1,82 55 29,29 29,97 2,3

0,975 35 10,07 9,697 3,7 2,64 35 31,46 33,18 5,5

1,916 30 15,87 15,55 2,0 3,40 25 33,69 35,02 3,9

2,821 25 18,90 18,72 1,0 4,74 20 39,50 39,59 0,2

4,521 20 21,62 22,20 2,7 5,87 30 49,10 48,71 0,8

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Соглашения 14.В37.21.0797 по мероприятию 1.1 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и Государственного задания ВУЗам (проект № 3.4487.2012).

Кузнецов Никита Михайлович студент факультета естественных наук РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Загоскин Юрий Дмитриевич студент факультета естественных наук РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Артемкина Юлия Михайловна к.х.н., доцент кафедры общей и неорганической химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Щербаков Владимир Васильевич д.х.н., профессор, декан факультета естественных наук РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Литература

1. Иванов А.А. // Изв. вузов. химия и хим. технология. 1989. Т. 32. Вып. 10. С. 3 - 16;

2. Валяшко В.М., Иванов А.А. // Журн. неорг. химии. 1979. Т. 23. № 10. С. 2752-2759;

3. Лященко А.К., Иванов А.А. // Журн. структ. химии. 1981. Т. 22. № 5. С. 69-75;

4. Щербаков В.В. // Электрохимия. 2009. Т. 45. № 11. С.1394-1397;

5. Харькин В.С., Лященко А.К. //Ж. физ. химии. 1992. Т. 66. №8. C. 2250-2255;

6. Артемкина Ю.М., Щербаков В.В. / Журн. неорг. химии. 2010. Т.55. № 9. С. 1573-1575;

7. Lobo V.M.M., Quaresma J.L. Handbook of electrolyte solutions. -Amsterdam: Elsevier. -1989. Pt.A. -1268 p.p., Pt.B. p.1169-2353.

8. Артемкина Ю.М., Загоскин Ю.Д., Саркисян А.Э., Щербаков В.В. //Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Т. 27, № 2. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013. С. 27-34.

9. Добош Д. Электрохимические константы. Справочник для электрохимиков. М.: Мир. 1980. -365 с.

Kuznetsov Nikita, Zagoskin Yuri, Artemkina Yulia, Shcherbakov Vladimir*

D.I. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

*

e-mail: shcherb@muctr.ru

PATTERNS IN CONDUCTIVITY OF AQUEOUS SOLUTIONS OF ALKALI METALS HALIDES

Abstract

Concentration and temperature dependence of the specific electrical conductivity (EC) of aqueous solutions of alkali metals halides was analyzed. Analytical equation, allowing on the basis of maximum EC solution and meet her concentration to calculate the EC of solutions of alkali metals halides in a wide range of concentrations and temperatures was obtained.

Keywords: electrical conductivity, aqueous solutions, alkali metals halides.