离子迁移数的测定——界面法.doc

离子迁移数的测定界面法1 引言11.1 实验目的1、用界面移动法测定H+离子迁移数。2、掌握测定离子迁移数的基本原理和方法。1.2 实验原理当电流通过电解电池的电介质溶液时，两极发生化学变化，溶液中阳离子和阴离子分别向阴极与阳极迁移。假若两种离子传递的电量分别为和，通过的总电量为每种离子传递的电量与总电量之比，称为离子迁移数。阴、阳离子的迁移数分别为 ， （1）且 （2）在包含数种阴、阳离子的混合电解质溶液中，和各为所有阴、阳离子迁移数的总和。一般增加某种离子的浓度，则该离子传递电量的百分数增加，离子迁移数也相应增加。但对于仅含一种电解质的溶液，浓度改变使离子间的引力场改变，离子迁移数也会改变，但变化的大小与正负因不同物质而异。温度改变，迁移数也会发生变化，一般温度升高时，和的差别减小。测定离子迁移数，对于了解离子的性质有很重要的意义。迁移数的测定方法有界面法、希托夫法和电势法等，本实验详细介绍界面法。利用界面移动法测迁移数的实验可分为两类:一类是使用两种指示离子，造成两个界面;另一类是只用一种指示离子，有一个界面。本实验是用后一种方法，以镉离子作为指示离子，测某浓度的盐酸溶液中氢离子的迁移数。 在一截面均匀的垂直放置的迁移管中，充满HCl溶液，通以电流，当有电量为的电流通过每个静止的截面时，当量的H+通过界面向上走，当量的Cl-通过界面往下行。假定在管的下部某处存在一个界面（），在该界面以下没有H+，而被其它的正离子（例如Cd2+）取代，则此界面将随着H+往上迁移而移动，界面的位置可通过界面上下溶液性质的差异而测定。例如，利用pH值的不同指示剂显示颜色不同，测出界面。在正常条件下，界面保持清晰，界面以上的一段溶液保持均匀，H+往上迁移的平均速率，等于界面向上移动的速率。在某通电的时间（）内，界面扫过的体积为，H+输送电荷的数量为在该体积中H+带电的总数，即 （3）式中，为H+的浓度，为法拉第常数，电量常以库伦（C）表示。欲使界面保持清晰，必须使界面上、下电介质不相混合，可以通过选择合适的指示离子在通电情况下达到。CdCl2溶液能满足这个要求，因为Cd2+淌度（）较小，即 （4）在图2-14-2的实验装置中，通电时，H向上迁移Cl向下迁移，在Cd阳极上Cd氧化，进入溶液生成CdCl2，逐渐顶替HCl溶液，在管中形成界面。由于溶液要保持电中性，且任一截面都不会中断传递电流，且H+迁移走后的区域，Cd2+紧紧地跟上，离子的移动速度()是相等的，。由此可得： （5）结合（4）式，得 （6）即在CdCl2溶液中电位梯度是较大的，如图2-14-1所示。因此若H+因扩散作用落入CdCl2溶液层。它就不仅比Cd2+迁移得快，而且比界面上的H+也要快，能赶回到HCl层。同样若任何Cd2+进入低电位梯度的HCl溶液，它就要减速，一直到它们重又落后于H+为止，这样界面在通电过程中保持清晰。2 实验操作2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图实验仪器：迁移管，节能型智能恒温槽（DC-0510 宁波新芝生物科技股份有限公司），Cd电极，Ag电极，毫安表（UNI-T UT56），直流稳压稳流电源（DHD300V/50mA,北京大华无线仪器厂），秒表（SW2013 SEWAN SMTWTFS）。实验药品：HCl溶液（0.1moldm3），甲基橙2.2 实验条件温度： 湿度：57%压力：101.965kPa2.3 实验操作步骤及方法要点21.按图2-14-2安装仪器。配制及标定浓度约为0.1moldm3的盐酸。加入少许甲基橙，使溶液呈红色。（实验时已配好）将超级恒温水浴温度调至25。用少许盐酸溶液润洗迁移管两次，而后在整个管中加满盐酸溶液。注意：切勿使管壁粘附气泡。将镉电极套管加满盐酸溶液（安装前检查镉电极，如果电极表面被氧化，用砂纸将电极氧化层打磨干净。银电极也需打磨，但是要用细砂纸），安装在迁移管的下部。迁移管垂直固定避免振荡，照图连接好线路，检查无误后，再开始实验。2.打开稳压稳流电源，选择开关搬至稳压，调节电流在67mA之间。随着电解进行，阳极镉会不断溶解变为Cd2，由于H离子的迁移，出现清晰界面。当界面移动到第一个刻度时，立即打开秒表。此后，每隔一分钟记录时间及对应的电流值。每当界面移动至第二、第三等整数刻度的时候，记下相应的时间及对应的电流值，直到界面移动至第五个刻度（每刻度的间隔为0.1mL）。关闭电源开关，过数分钟后，观察界面变化。再打开电源，过数分钟后，再观察之。3.实验完成，用蒸馏水润洗迁移管。4.以上实验是电压恒定，通过测量电流随时间的变化来得到迁移数的。再用恒电流的方法重复上述实验。用电流恒定（I3mA）的方法，只需要记录电流值及界面迁移到整数刻度时（即0.1mL、0.2mL.0.5mL）的时间即可。3 结果与讨论3.1 原始实验数据A）恒压条件下数据记录如下电压值为115V表1：恒压条件下实验数据记录t/sI/mAV/mLt/sI/mAV/mL04.7410.0009283.2370.300604.6389603.2111204.51110203.1471804.36910803.1032404.23311403.0542674.1640.10012003.0063004.10012602.9633603.98813182.9180.4004203.88913202.9174803.79113802.8725403.70014402.8385743.6540.20015002.8016003.61615602.7656603.53616202.7327203.46116802.6977803.39317402.6678403.32917552.6590.5009003.265并可得如下曲线：图1：恒压法曲线B）恒流条件下数据如下：表2：恒流条件下实验数据记录V/mLt/sI/mA003.0030.1003853.0030.2007843.0040.30011753.0040.40015713.0030.50019693.0033.2计算的数据、结果A）恒电压法对曲线用origin积分求得相应时间段通过的电量Q，由刻度间的体积，通过公式求出H+离子传递的电量，再由求出离子迁移数。结果如下表：表3恒压法实验结果V/mLt/sQ/mC/mC0.100-0.400267-13183608.0992894.5600.8022400.200-0.500574-17553628.2452894.5600.7977850.100-0.500267-17554823.6993859.4140.800094对表中取平均值得：平均迁移数=0.800040B）恒电流法取电流的平均值，计算总电量，再由体积计算H+离子传递的电量，求出离子迁移数 。结果如下表：表4恒流法实验结果V/mLt/sQ/mC/mC0.100-0.400385-15713562.3472894.5600.8125430.200-0.500784-19693559.1442894.5600.8132740.100-0.500385-19694757.5413859.4140.811220对表中取平均值得：平均迁移数= 0.8123463.3讨论分析1、结果分析文献值：298.15K时0.1mol/L的HCl溶液的为：0.831相比之下，实验值较文献值略小，恒压下误差为3.7%，恒流下为2.2%。误差原因可能有以下几点： 操作中计时、观测上的误差。用秒表计时读数时可能会有一定的时间滞后，同时观界面移动时也会有误差。 HCl浓度不准确。 温度变化影响粒子运动速率，从而影响离子迁移数。 电表测量值等其他仪器的误差。2、实验现象分析 实验中断开电源后一段时间，界面缓慢变模糊，之后再接通电源，界面又重新变清晰。原因如下：断开电源之后，由于扩散作用，溶液逐渐趋于均匀状态，界面变模糊，可以认为足够长时间后整个管中的液体将混合均匀呈浅红色。之后再接通电源时，离子发生定向移动，所以界面又重新变清晰。 恒压条件下电流在逐渐减小，原因是随着电解的进行，很多H+生成H2，浓度减小，Cd+浓度增加，使得溶液的电阻增大，由于电压不变，故电流减小。 随着实验的进行，迁移管中的液体的红色逐渐变淡，并且阳极区逐渐变为透明。原因如下：随着电解的进行，H+不断被消耗，从而酸性减弱，pH值升高，所以迁移管中液体的红色变淡，阳极区H+被还原为H2，并且由于迁移管细长的形态以及垂直放置时重力的作用，氢离子补充的速率小于还原反应的速率，浓度降低，pH上升，颜色变淡。3、实验步骤分析 观察迁移管内界面时，可将一张白纸夹在迁移管与铁架台的铁夹之间，方便观测。 加盐酸时应将盐酸举高于液面后再打开止水夹，注满后先关闭止水夹再放下盐酸。并且在过程中应注意要打开瓶塞。 迁移管上部的管可防止溶液浓度变化对迁移管内液体造成影响，但要注意插入电极时不可过紧，否则生成的氢气无法排出。4 结论实验测得25下，0.1mol/L的HCl溶液的离子迁移数为：恒压法：0.800040恒流法：0.8123465 参考文献【1】贺德华,麻英,张连庆.基础物理化学实验M.北京.高等教育出版社, 2008.76-786 附录1、为什么会出现界面？为什么界面移动的速率就是氢离子迁移的速率？答：反应时氢离子上移，氯离子下移，Cd2+从电极进入溶液，使电中性得以保持。实验装置中，通电时，生成CdCl2，逐渐顶替HCl溶液，在管中形成界面。由于溶液要保持电中性，且任一截面都不会中断传递电流，由于Cd2+淌度（）较小且H+迁移走后的区域，Cd2+紧紧地跟上，离子的移动速度()是相等的。通过计算可得CdCl2溶液中电位梯度是较大的。因此若H+因扩散作用落入CdCl2溶液层。它就不仅比Cd2+迁移得快，而且比界面上的H+也要快，能