界面法测定离子迁移数.doc

实验名称：界面法测定离子迁移数 实验类型：_同组学生姓名：_一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求1掌握界面移动法测定离子迁移数的原理和方法；2掌握图解积分测定电荷的方法。二、实验内容和原理当电流通过电解质溶液时，在两电极上发生法拉第或非法拉第过程，溶液中承担导电任务的阴、阳离子分别向阳、阴两极移动。阴、阳离子迁移的电量总和恰好等于通入溶液的总电量，即： 但由于各种离子的迁移速率不同，各自所迁移的电量也必然不同，将某种离子传递的电量与总电量之比，称为离子迁移数，则阴、阳离子的迁移数分别为：，并且 t+ + t- = 1 若溶液中含有数种阴、阳离子，则t+、t-各为所有阴、阳离子的迁移数之和。一般讲来，某种离子浓度增加，其相应的离子迁移数也有所增加，但也不尽然，由于离子之间的引力场影响的大小随离子的种类不同，所以离子迁移数的改变可能由正负之别，还要视离子的种类及周围环境而定，另外，迁移数也要受温度影响，一般温度升高，t+和t-的差别减小。测定迁移数的方法有两种，一种是界面移动法，一种为电解法（即希托夫法）。本实验采用界面移动法测定盐酸中H+的迁移数，迁移管中离子迁移示意图见图1，装置如图2所示。图1 迁移管中的电位梯度 图2 界面法测离子迁移数装置界面移动法测离子迁移数有两种，一种是用两个指示离子，造成两个界面；另一种是用一种指示离子，只有一个界面。本实验是用后一方法，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。 在一截面清晰的垂直迁移管中，充满HCl溶液，通以电流，当有电量为Q的电流通过每个静止的截面时 摩尔量的H+通过界面向上走， 摩尔量的Cl通过界面往下行。假定在管的下部某处存在一界面（aa）,在该界面以下没有H+存在，而被其他的正离子（例如 ）取代，则此界面将随着 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，若在溶液中加入酸碱指示剂，则由于上下层溶液pH的不同而显示不同的颜色，形成清晰的界面。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（t）内，界面扫过的体积为V， 输运电荷的数量为在该体积中H+带电的总数，根据迁移数定义可得：式中，C为 的浓度，A为迁移管横截面积，l为界面移动的距离，I为通过的电流，t为迁移的时间，F为法拉第常数。 欲使界面保持清晰，必须使界面上、下电解质不相混合，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 电迁移率（U）较小，即 在图1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，在管外形成界面。由于溶液要保持电中性，且任一截面都不会中断传递电流，H+迁移走后的区域， 紧紧跟上，离子的迁移速率 是相等的，即 。由此可得：所以。 即在CdCl2溶液中电位梯度是较大的，如图4.1所示。因此若H+因扩散作用落入CdCl2溶液层，它就不仅比 迁移的快，而且比界面上的H+也要快，能赶回到HCl 层。同样若任何 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 为止，这样界面在通电过程中保持清晰。三、主要仪器设备仪器：迁移管1支（用1mL刻度移液管及恒温回流管和注液小漏斗组成）；-1+4mV记录仪1台；镉电极和铜电极；超级恒温槽1台；带尼龙管的5mL针筒2只；50mL小烧杯两只；晶体管直流稳压电源1台；接线匣1只；导线若干；停表；废液缸1个；砂纸若干。试剂：含甲基紫的HCl溶液（0.1mol.L1）。四、操作方法和实验步骤1按图2装置仪器，用带尼龙管的针筒吸取蒸馏水洗迁移管两次并检查迁移管是否漏水，吸取少量的含甲基紫的HCl溶液（待测液），直接插入到迁移管的最下端，将迁移管洗涤两次，然后将待测液慢慢加入迁移管中，装入溶液量以插入上端铜电极时，能浸过电极为限。2按照图2接好线路，检查无误后，再开始实验。调节恒温槽温度为25，待温度恒定后，并调节电流至3.5mA左右。打开记录仪开关，随着电解进行，Cd阳极会不断溶解变为 。由于 的迁移速度小于 ，因而，过一段时间后，在迁移管下部就会形成一个清晰的界面，并渐渐地向上移动，当界面移动到某一可清晰观测的刻度时，打开停表开始记时。此后，每当界面移动0.05mL，记下相应的时间和电压读数，直到界面移动0.5mL。3调节恒温槽温度为35，测定0.1mol.L-1盐酸 中H+的迁移数。4实验完毕，将迁移管溶液倒入指定回收瓶中，洗迁移管的初次废液也应注入回收瓶中。迁移管洗净后，装满蒸馏水，放回原处。五、实验数据记录和处理室温：13.5；HCl浓度：0.1017mol.L-1；标准电阻：1 欧姆表一25和35HCl溶液H+离子迁移数测定实验数据25t/s E/mV V/mL Q/mc35t/s E/mV V/mL Q/mc03.730003.5300158.743.650.05585.75164.893.470.05577.12321.273.570.10586.73336.213.420.10590.20483.553.500.15573.66506.993.370.15579.80651.643.430.20582.43684.213.310.20591.91821.643.370.25578.00853.893.260.25557.40993.243.300.30572.291035.143.200.30585.441165.743.250.35564.941216.333.150.35575.281335.023.190.40545.081393.803.110.40555.481514.893.130.45568.391587.773.060.45598.401699.963.080.50574.641775.523.010.50569.82Q（总）5731.91Q（总）5780.85六、实验结果与分析由实验数据可知：25时，V=0.50mL，c(H+)=0.1017mol.L-1, F=96500c/mol, Q=5.73191c所以，H+离子所迁移的分电荷q+=V c(H+) F= 4.907025cH+的迁移数t(H+)= q+/ Q=0.856由实验室提供，此时H+的迁移数的文献值t(文)=0.82所以，相对误差E=|t(文)-t(H+)|/t(文)*100%=4%。35时，V=0.50mL，c(H+)=0.1017mol.L-1, F=96500c/mol, Q=5.78085c所以，H+离子所迁移的分电荷q+=V c(H+) F= 4.907025cH+的迁移数t(H+)= q+/ Q=0.849误差分析：1. 实验装置的所带有的系统误差； 2. 因放置时间过长等原因使实验所用的0.1mol.L1含甲基紫的HCl溶液的浓度发生变化，与所标定的值不同； 3. 迁移管上刻度模糊，对界面移动刻度的判断有所偏差，使实验结果产生误差； 4. 实验过程中，由桌面振动或碰触仪器等原因，使迁移管产生振动，产生误差。七、讨论、心得实验心得：通过本实验，我主要了解了界面移动法测定离子迁移数的原理和方法，实验操作较简单，但要注意操作的规范，为了保证实验结果的正确与准确，有以下几点需要注意：1实验的准确性、成败关键主要取决于移动界面的清晰程度。若界面不清晰，则迁移体积测量不准，导致迁移数测量不准确。因此，实验过程中应避免桌面振动。 2实验过程中凡是能引起溶液扩散，搅动，对流等因素都要避免。3中间管与阴极管、阳极管连接处不留气泡。4电极的正负极不要颠倒。5上端的塞子不能塞紧，要留有缝隙。6镉化物有毒，要注意废液的处理。思考题：1.离子迁移数与那些因素有关？ 答：影响离子迁移数的主要因素有温度、溶液浓度、离子本性、溶剂性质，温度越高，阴、阳离子的迁移数趋于相等。 2.保持界面清晰的条件是什么？ 答：实验的准确性、成败关键主要取决于移动界面的清晰程度。若界面不清晰，则迁移体积测量不准，导致迁移数测量不准确。因此，实验过程