电桥法测定弱电解质的电离常数

1、电桥法测定弱电解质的电离常数【教学目的】1.掌握电桥法测量电导的原理和方法，初步掌握示波器的使用。2.测定电解质溶液的电导并计算弱电解质的电离常数。【教学重点】通过用交流电桥测定氯化钾和醋酸溶液的电导，使学生掌握测量电导的原理和方法【教学内容】一、实验原理醋酸在溶液中电离达到平衡时，其电离平衡常数Kc与浓度c和电离度a有以下关系（1）在一定温度下Kc是一个常数，因此可以通过测定醋酸在不同浓度下的电离度，代入（1）式计算得到Kc值。醋酸溶液的电离度可用电导法来测定，图142是用来测定溶液电导的电导池。电导的物理意义是：当导体两端的电势差为1伏特时所通过的电流强度。亦即电导电流强度/电势差。因此电

2、导是电阻的倒数，在电导池中，电导的大小与两极之间的距离l成反比，与电极的面积A成正比。（2）k称为电导率或比电导，即l为1m，A为1m2时溶液的电导，因此电导率这个量值与电导池的结构无关。电解质溶液的电导率不仅与温度有关，而且还与溶液的浓度有关，因此通常用摩尔电导率这个量值来衡量电解质溶液的导电本领。摩尔电导率的定义如下：含有一摩尔电解质的溶液，全部置于相距为1m的两个电极之间，这时所具有的电导称为摩尔电导率，摩尔电导率与电导率之间有如下的关系。（3）（3）式中c为溶液中物质的量浓度，单位为mol·m-3。根据电离学说，弱电解质的电离度a随溶液的稀释而增大，当溶液无限稀释时，则弱电解

3、质全部电离a1，在一定温度下溶液的摩尔电导率与离子的真实浓度成正比，因而也与电离度a成正比，所以弱电解质的电离度a应等于溶液在量浓度c时的摩尔电导率m和溶液在无限稀释时摩尔电导率之比，即：（4）将（4）式代入（1）式得：（5）Kc值即可通过（5）式由实验测得。由电导的物理概念可知：电导是电阻的倒数，对电导的测量也是对电阻的测量，但测定电解质溶液的电阻有其特殊性，当直流电流通过电极时会引起电极的极化，因此必须采用较高频率的交流电，其频率一般应取在1000Hz。另外，构成电导池的两个电极应是惰性的，一般是铂电极，以保证电极与溶液之间不发生电化学反应。精密的电阻测量通常均采用电桥法，其精度一般可达0

4、.0001以上。它的原理如图1所示。图1交流电桥法测量原理图S为高频（1000Hz/S）交流电源，AB为一均匀且带有刻度的滑线电阻，G为示零器（示波器或耳机），R3为可变电阻，Rx为电导池两极间的电阻。调节电阻R3或移动接触点D，使CD两点间电势差等于零，此时CD间没有电流，即（6）所以I1R1I2R3（7）I1R2I2Rx（8）（7）式除以（8）式得：（9）由（9）式可得Gx值，但还必须换算成电导率k，由k可通过（3）式求得摩尔电导率m。由（2）式可知（10）（10）式中kcell称为电导池常数，它是电导池两个电极间的距离与电极表面积之比。为了防止极化，通常将铂电极镀上一层铂黑，因此真实面积

5、A无法直接测量，通常可将已知电导率k的电解质溶液（一般用的是标准的0.01000mol·dm-3KC1溶液）注入电导池中，然后测定其电导G即可以（10）式算得电导池常数kcell。当电导池常数kcell确定后，就可用该电导池测定某一浓度c的醋酸溶液的电导，再用（10）式算出k，加c为已知，则c、k值代入（3）式算得该浓度下醋酸溶液的摩尔电导率，因此只要知道无限稀释时醋酸溶液的摩尔电导率就可以应用（5）式最后算得醋酸的电离常数中Kc。在这里的求测是一个重要问题，对于强电解质溶液可测定其在不同浓度下摩尔电导率再外推而求得，但对弱电解质溶液则不能用外推法，通常是将该弱电解质正、负两种离子的

6、无限稀释摩尔电导率加和计算而得（），不同温度下醋酸的值见下表不同温度下醋酸的(S·m2·mol-1)温度K298.2303.2308.2313.2×1023.9084.1984.4894.779二、仪器与试剂（一）仪器滑线电阻器1个旋转电阻箱1个低频信号发生器1个示波器1台电导池1个恒温槽1套（二）试剂KC1标准溶液（0.01000mol·dm-3） HAc溶液（0.1000mol·dm-3）HAc溶液（0.0500mol·dm-3）HAc溶液（0.0250mol·dm-3）三、实验步骤1.调节恒温槽温度为298.2K

7、77;±0.1K）或308.2K（±0.1K）。2.按图143接好交流电桥线路，频率选在1000Hz，将示波器内桥平衡调好。3.测定定电导池常数Kcell倾去电导池中蒸馏水（电导池不使用时，应把它浸在蒸馏水中，以免干燥后难以清除被铂黑所吸附的杂质，并且避免干燥的电极浸入溶液时，表面不易完全浸润，表面附着小气泡，使电极表面积发生改变，影响测量结果），用少量0.0100 mol·dm-3KC1溶液洗涤电导池和铂电极，一般三次，然后倒入0.0100 mol·dm-3的KC1溶液，使液面超过电极12cm，再将电导池置于所需温度的恒温槽中，恒温510min，进行测

8、量，将滑线电阻器调至中间（使R1，R2两个桥臂相等），调整R3至示波器显示屏上出现一条直线（未调R3以前示波器上显示玻弦波形）记下R3值，重复测定3次。4.测定醋酸溶液的电导（浓度由小至大测定）倾去电导池中的KC1溶液，将电导池和铂电极用蒸馏水洗涤。再用少量的被测的醋酸溶液洗涤三次，然后注入被测的醋酸溶液，使溶液超过电极12cm，再将电导池置于所调好温度的恒温槽中，恒温510min，同测电导池常数法一样，记下R3值，同法测定另两种浓度醋酸溶液的电导。5.醋酸溶液的电导测量完毕后，再次测定电池常数以鉴定实验过程中电导池常数有无变化。四、数据记录及数据处理1.电导池常数Kcell0.0100 mo

9、l·dm-3标准KC1溶液的电导率k=0.1413S·m-1（在298.2K及p0时），不同温度下的电导率k见下表。不同温度下0.0100 mol·dm-3标准KC1溶液的电导率k(S·m-1)温度K293.2298.2303.2308.2313.2k0.12780.14130.1552由（10）式计算得Kcell，并填入下表： 恒温槽温度： 实验次数R3（）G（S）Kcell(m-1)测量值平均值实验开始123实验结束123Kcell 平均值=68.0999 m-12.醋酸溶液的电离常数Kc将原始数据及处理结果填入下表：C(mol·dm-3)

10、Rx()()G(S)k(S·m-1)m (S·m2·mol-1)aKc0.02500.05000.1000实验测定电离平衡常数Kc平均值= 实验温度：T= 附：醋酸电离平衡常数的文献值t/Kc×105t/Kc×105t/Kc×10551.6980271.75689311.74932151.7460281.75548321.74661251.7540291.75376331.74357261.75793301.75170341.74022【教学讨论】1使用一定频率的交流电源的有关问题在电导测量中，电源不能直接使用直流电源，因为直流电会引

11、起溶质在电极上电解而产生一系列的极化作用，使溶液的实际电阻发生变化，从而影响测量的精度。在电解质溶液的电导测定中必须使用交流电源，电源的电压一般不超过10V，甚至可低到0.5V。这是为了防止电导池中产生热效应而使温度发生改变以及减少电极的极化。同时交流电的频率一般为10004000Hz，其原因如下：由于电导池中的两个电极可构成一平板电容器，故在测量中整个电极系统实际上是一个比较复杂的电阻与电容串、并联的系统。C1、C1 静电容    C2 电解质电容    R1、R1 电极电阻    R2、R2 极化电阻

12、      R3 电解质电阻电导池的实际阻抗是 ZRj                           （）   式中： R 各个电阻之和    C 回路中的总电容值      

13、;    电源的频率因此由于电容的实际存在，不仅改变了两个极片间的电阻值，而且会造成相移，严重地影响测量结果。由公式（）可见，交流电频率愈高，则电容项的影响愈小，电路的特性才基本取决于电极间溶液的电阻。为了实现这一目的可从两个方面采取措施。其一是加大溶液的电阻。其方法是改变极板间的距离及电极面积，但此法有一定的范围限制。其二是加大电源的频率，越高，电容项的影响越小。但交流电的频率不能过高，这是因为交流电通过一段导体时，通常会产生漏电，其原因可以是由电路各部分之间及电路与大地之间会产生电容耦合，也可以是电路间的互感及外界磁场的耦合，这种漏电将随交流电的频率增高而加剧

14、。交流电桥的平衡条件是：电桥的电路对地无漏电；电桥各部分之间无漏电；电桥各支线间无互感。因此交流电的频率过高时会对仪器的制造、安装、调整及溶液电阻的测量带来困难。实验所使用的交流电频率高低可根据以下方法来确定，即：在达到某一频率后，仪表的读数不再因频率的增加而有显著变化时，就可选定这一频率作为电导池的工作频率。一般溶液浓度较低或溶液电阻较小时，频率可选择低一些，溶液浓度较大或电阻较大时，则频率就要高一些。为防止交流电桥漏电，除了控制交流电的频率外，还需要合理安排电桥元件的位置，使它们相互之间以及与外界磁场源之间保持一定距离，以减少相互间的耦合。同时应对元件采取完善的电磁屏蔽（当交流电频率不过高

15、时可省去）和接地措施，使各种电磁耦合对测量的影响减至最小程度。2关于电导电极的选择问题待测溶液的电阻值对测量精度影响较大，电阻值不能太低但也不能过高，电阻值过高，交流电桥的不平衡信号难以检出。一般当交流电的频率为10004000Hz时，溶液电阻的范围应在1005×105之间。为此应正确选用不同数量级的电导池以满足测量要求。G5×106 S： 因极化小，可采用光亮的260型电导电极R5×1061.5×101 S：可采用铂黑260型电导电极R1.5×101 S5×101 S：可采用U型电导电极，此类电极电极面积很小，而电极间距离很大。3交流电的波形为了避免电极极化，应采用较高频率的交流电源。交流电的波形应对