Перейти до вмісту
Обране

Калькулятор закону Кольрауша

Оновлено:

Обчислюйте граничну молярну електропровідність будь-якого електроліту при нескінченному розведенні за іонними електропровідностями та стехіометричними коефіцієнтами, використовуючи закон Кольрауша про незалежний рух іонів.

Обчислення граничної молярної електропровідності електроліту за його іонами

Поля введення
Катіон (позитивний іон)
λ°₊
S·cm²/mol
Іонна гранична молярна електропровідність за нескінченного розведення при 25 °C (Na⁺ = 50,11, K⁺ = 73,5, Ca²⁺ = 119,0).
ν₊
Кількість катіонів у формульній одиниці, наприклад 1 у NaCl, 2 у Ca(OH)₂.
Аніон (негативний іон)
λ°₋
S·cm²/mol
Іонна гранична молярна електропровідність за нескінченного розведення при 25 °C (Cl⁻ = 76,35, OH⁻ = 198,3, SO₄²⁻ = 160,0).
ν₋
Кількість аніонів у формульній одиниці, наприклад 2 у CaCl₂ або Na₂SO₄.
Якщо увімкнено, результат оновлюватиметься автоматично після зміни будь-якого значення.

Формула закону Кольрауша

Формула
\[ \Lambda^\circ_m = \nu_+ \lambda^\circ_+ + \nu_- \lambda^\circ_- \quad \text{або, у загальному вигляді,} \quad \Lambda^\circ_m = \sum_i \nu_i \lambda^\circ_i \]

Де:

  • \(\Lambda^\circ_m\) — гранична молярна електропровідність електроліту при нескінченному розведенні (S·cm²/mol)
  • \(\lambda^\circ_i\) — гранична молярна електропровідність (іонна електропровідність) іона \(i\) при нескінченному розведенні (S·cm²/mol)
  • \(\nu_i\) — стехіометричний коефіцієнт іона \(i\) у формульній одиниці (наприклад, 2 для Cl⁻ у CaCl₂)

Формула виражає закон Кольрауша про незалежний рух іонів: при нескінченному розведенні кожен іон робить свій внесок у загальну електропровідність незалежно від усіх інших іонів, тому гранична молярна електропровідність електроліту — це просто сума іонних електропровідностей, зважених за їхніми стехіометричними коефіцієнтами.

Закон Кольрауша — приклад обчислення

Приклад: електроліт, формульна одиниця якого містить один іон Na⁺, один іон Ca²⁺, один іон Cl⁻ та один іон SO₄²⁻. Усі чотири іони мають стехіометричний коефіцієнт 1, а їхні граничні молярні електропровідності за 25 °C становлять λ°(Na⁺) = 50,11, λ°(Ca²⁺) = 119,0, λ°(Cl⁻) = 76,35 і λ°(SO₄²⁻) = 160,0 S·cm²/mol — це саме ті значення, які в калькуляторі встановлено за замовчуванням.

\[ \Lambda^\circ_m = 1 \times 50.11 + 1 \times 119.0 + 1 \times 76.35 + 1 \times 160.0 = 405.46 \ \text{S·cm}^2\!/\text{mol} \]

Результат: \(\Lambda^\circ_m = 405.46\) S·cm²/mol (тобто 0,040546 S·m²/mol).

Якщо ж зняти позначки з обох полів «Додати другий катіон» і «Додати другий аніон», ті самі введені дані зводяться до NaCl: \(\Lambda^\circ_m(\text{NaCl}) = 50.11 + 76.35 = 126.46\) S·cm²/mol — це значення, прийняте в довідкових таблицях.

Як користуватися калькулятором

  1. Введіть назву катіона (необов’язково, використовується лише для підпису) та його граничну молярну електропровідність (λ°₊) у S·cm²/mol, наприклад 50,11 для Na⁺.
  2. Задайте стехіометричний коефіцієнт катіона (ν₊) — кількість таких катіонів на формульну одиницю, наприклад 2 для Na⁺ у Na₂SO₄.
  3. Якщо сіль містить два різні катіони (наприклад, KAl(SO₄)₂), поставте позначку «Додати другий катіон» і заповніть назву, λ° та коефіцієнт другого катіона; інакше залиште поле непозначеним.
  4. Ті самі кроки повторіть для аніона: назва аніона, гранична молярна електропровідність (λ°₋), стехіометричний коефіцієнт (ν₋) і, за потреби, «Додати другий аніон».
  5. Виберіть одиницю вимірювання результату — S·cm²/mol (одиниця, що використовується в більшості довідкових таблиць) або S·m²/mol (одиниця СІ).
  6. Зчитайте результат: граничну молярну електропровідність (Λ°ₘ), розбивку внесків за іонами та повну підстановку буде показано одразу.

Що таке закон Кольрауша про незалежний рух іонів?

Якщо до розчину електроліту прикласти електричне поле, мігрують і катіони, й аніони, переносячи струм. Фрідріх Кольрауш встановив (близько 1875 року), що при нескінченному розведенні — коли іони настільки віддалені один від одного, що вже не взаємодіють, — кожен іон рухається незалежно від свого протиіона. Тому молярна електропровідність усього електроліту — це просто сума окремих іонних електропровідностей, кожна з яких помножена на те, скільки відповідних іонів утворює формульна одиниця при дисоціації.

Класичний експериментальний доказ — правило різниць: \(\Lambda^\circ_m(\text{KCl}) - \Lambda^\circ_m(\text{NaCl})\) дорівнює \(\Lambda^\circ_m(\text{KBr}) - \Lambda^\circ_m(\text{NaBr})\), адже внесок аніона скорочується і залишається лише різниця між K⁺ і Na⁺. Саме цю адитивність і відтворює калькулятор.

Найбільшу користь закон приносить для слабких електролітів, як-от оцтова кислота. Сильні електроліти підпорядковуються закону квадратного кореня Кольрауша \(\Lambda_m = \Lambda^\circ_m - K\sqrt{c}\), тож їхню граничну електропровідність можна знайти екстраполяцією виміряних значень до нульової концентрації. Слабкі електроліти навіть за низької концентрації майже повністю асоційовані, тож екстраполяція не працює — але закон Кольрауша дає відповідь безпосередньо: \(\Lambda^\circ_m(\text{CH}_3\text{COOH}) = \lambda^\circ(\text{H}^+) + \lambda^\circ(\text{CH}_3\text{COO}^-) = 349.65 + 40.9 \approx 390.6\) S·cm²/mol.

Коли \(\Lambda^\circ_m\) відомо, його порівняння з виміряною молярною електропровідністю \(\Lambda_m\) при концентрації \(c\) дає ступінь дисоціації \(\alpha = \Lambda_m / \Lambda^\circ_m\) — це стандартний шлях у задачах на константу дисоціації та розчинність. Наш калькулятор молярної електропровідності виконує крок \(\Lambda_m = \kappa / c\), а калькулятор добутку розчинності охоплює застосування до малорозчинних солей.

Припущення та обмеження

  • Нескінченне розведення: закон строго виконується лише при \(c \to 0\). За реальних концентрацій міжіонні взаємодії (іонні атмосфери) знижують \(\Lambda_m\) нижче \(\Lambda^\circ_m\); для сильних електролітів це описується залежністю \(\Lambda_m = \Lambda^\circ_m - K\sqrt{c}\). Про те, як відхиляються активності за скінченної концентрації, див. калькулятор коефіцієнта активності Дебая–Гюккеля.
  • Температура: табличні значення λ° наведено для 25 °C у воді. Електропровідність зростає приблизно на 2–3 % на кожен градус, тож якщо потрібна висока точність, використовуйте значення, виміряні за вашої температури.
  • На моль іонів: λ° визначено на моль іона в тому вигляді, в якому він записаний, а не на одиницю заряду. Для Ca²⁺ значення λ° = 119,0 S·cm²/mol уже враховує подвійний заряд — не множте його знову на 2.
  • Електронейтральність: стехіометричні коефіцієнти мають описувати нейтральну формульну одиницю (\(\sum \nu_+ z_+ = \sum \nu_- z_-\)), інакше введена «сіль» не може існувати, а сума втрачає зміст.
  • Повна дисоціація при нескінченному розведенні: навіть слабкі електроліти в граничному випадку \(c \to 0\) розглядаються як повністю дисоційовані; часткова дисоціація має значення лише за скінченної концентрації.
  • Перерахунок одиниць: 1 S·cm²/mol = 10⁻⁴ S·m²/mol. У довідкових таблицях майже завжди використовують S·cm²/mol — саме ця одиниця є вхідною за замовчуванням у калькуляторі.

Довідник: граничні молярні електропровідності поширених іонів (25 °C, S·cm²/mol)

Катіон λ° Аніон λ°
H⁺ 349,65 OH⁻ 198,3
Li⁺ 38,7 Cl⁻ 76,35
Na⁺ 50,11 Br⁻ 78,1
K⁺ 73,5 I⁻ 76,8
NH₄⁺ 73,5 NO₃⁻ 71,5
Ag⁺ 61,9 HCO₃⁻ 44,5
Mg²⁺ 106,1 CH₃COO⁻ 40,9
Ca²⁺ 119,0 SO₄²⁻ 160,0
Ba²⁺ 127,2 ½SO₄²⁻ (на еквівалент) 80,0

Використовуйте ці значення безпосередньо у полях λ° калькулятора. Зверніть увагу на надзвичайно високі значення для H⁺ і OH⁻ — це наслідок стрибкового механізму перенесення протона за Гротгусом у воді, який також пояснює, чому сильні кислоти й основи проводять струм значно краще за свої солі.

Часті запитання

Як обчислити граничну молярну електропровідність вручну?

Запишіть рівняння дисоціації, підрахуйте іони, а потім додайте їхні табличні значення λ°. Для CaCl₂ → Ca²⁺ + 2 Cl⁻: \( \Lambda^\circ_m = 1 \times 119.0 + 2 \times 76.35 = 271.7 \) S·cm²/mol. Для кожного іона помножте його граничну іонну електропровідність на кількість таких іонів на формульну одиницю й усе підсумуйте. Калькулятор просто автоматизує цю зважену суму, тож ручний розрахунок — гарний спосіб перевірити введені дані.

Яким є типове значення граничної молярної електропровідності?

Для простих солей типу 1:1 у воді за 25 °C слід очікувати приблизно 100–150 S·cm²/mol — NaCl дає 126,46, KCl — близько 149,9. Двовалентні солі мають вищі значення (CaCl₂ ≈ 271,7, CuSO₄ ≈ 267), адже з кожної формульної одиниці вони вивільняють три іони. Кислоти та основи проводять значно краще: HCl ≈ 426 і NaOH ≈ 248 S·cm²/mol — завдяки дуже рухливим іонам H⁺ та OH⁻. Результат, який далеко виходить за межі 50–500 S·cm²/mol, зазвичай свідчить про помилку у вхідних даних.

Як перерахувати між S·cm²/mol та S·m²/mol?

Помножте на 10⁻⁴, щоб перейти від S·cm²/mol до одиниці СІ S·m²/mol: 126,46 S·cm²/mol = 0,012646 S·m²/mol. У зворотний бік множте на 10⁴. У старіших таблицях трапляються значення в Ω⁻¹·cm²/mol — це те саме, що S·cm²/mol, оскільки 1 S = 1 Ω⁻¹. Розкривний список одиниць у калькуляторі виконує цей перерахунок автоматично.

Чи можна користуватися цим калькулятором для слабких електролітів, як-от оцтової кислоти чи аміаку?

Так — це якраз найважливіше застосування закону. Слабкі електроліти за будь-якої вимірюваної концентрації дисоційовані лише частково, тому екстраполювати виміряні електропровідності до нульової концентрації не можна. Закон Кольрауша обходить цю проблему: для CH₃COOH \( \Lambda^\circ_m = 349.65 + 40.9 \approx 390.6 \) S·cm²/mol — на основі значень для повністю дисоційованих іонів. Для одноосновної слабкої кислоти вказуйте коефіцієнт 1 для обох іонів.

Що робити, якщо мого іона немає в довідковій таблиці?

Виведіть його λ° з табличних солей, скориставшись самою адитивністю — класичним методом різниць. Наприклад, якщо відомо Λ°ₘ(NaCl) = 126,46 і Λ°ₘ(KCl) = 149,86, то λ°(K⁺) − λ°(Na⁺) = 23,40 S·cm²/mol. Поєднайте два-три такі значення для солей, щоб виокремити невідомий іон. Для багатьох поліатомних іонів (NO₃⁻, SO₄²⁻, CH₃COO⁻) значення табульовані безпосередньо; для рідкісніших іонів зверніться до довідника з фізичної хімії.

Чому не слід множити на заряд іона?

Тому що табличні значення λ° вже визначено на моль іонів у тому вигляді, в якому вони записані, а не на одиницю заряду. Значення λ°(Ca²⁺) = 119,0 S·cm²/mol уже відображає двозарядний іон кальцію, тож множення на 2 означало б подвійний облік. Остерігайтеся старіших таблиць, де значення наведено на еквівалент (наприклад, «½SO₄²⁻ = 80,0»): перед введенням як SO₄²⁻ такі значення потрібно помножити на 2, інакше отримаєте половину правильної відповіді.

Як знайти ступінь дисоціації та Ka, коли відомо Λ°ₘ?

Виміряйте електропровідність розчину κ, перейдіть до молярної електропровідності \( \Lambda_m = \kappa / c \), а потім обчисліть \( \alpha = \Lambda_m / \Lambda^\circ_m \). Для слабкої одноосновної кислоти \( K_a = c\alpha^2 / (1-\alpha) \). Зауважте, що α, знайдена з електропровідності, є наближеною (рухливості іонів дещо змінюються з концентрацією), але це стандартний підручниковий метод, достатньо точний для розбавлених розчинів.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *