实验六：电导法测弱电解质HAc的电离平衡常数

实验六 电导法测弱电解质的电离平衡常数 一 实验目的 1 掌握惠斯登电桥法测定电导的原理 2 学会实验测量的操作技术 3 学会图解法求算解离度 了解电导测定的应用 二 实验原理 电解质溶液的导电能力由电导 G 来量度 它是电阻的倒数 即 电导的单位是 西门子 符号为 S 将电解质溶液放入两平行电极之间 若两电极距离为 l 电极面积为 A 则溶液的电导 为 式中电导率 其物理意义是 l 1m A 1m2时溶液的电导 其单位为 S m 1 定义电 导池系数 则 通常将一个电导率已知的电解质溶液注入电导池中 测其电导 根据上式即可求出 Kcell 在研究电解质溶液的导电能力时 经常使用摩尔电导率 其定义为 式中 c 为电解质溶液的浓度 的单位是 S m2 mol 1 对于弱电解质 例如醋酸 来说 由于其电导率很小 所以测得的溶液的电导率应包括 水的电导率 即 电解质溶液是由正 负离子的迁移来传递电流的 在弱电解质溶液中 只有解离部分的 离子才对电导有贡献 而在无限稀释的溶液中 电解质全部解离 其摩尔电导率 是正 负离子的极限摩尔电导率之和 即 式中 分别为正 负离子的化学计量数 可查表得到 与的差别来自两个因素 一是电解质的不完全电离 二是离子间的相互作用 若 溶液中离子浓度很低 彼此相隔较远 相互作用力可以忽略 则与之间的关系可表 示为 推导 式中 为弱电解质的解离度 醋酸在水溶液中有下列平衡 其解离平衡常数为 推导 将代入上式整理可得 此式称为奥斯特瓦尔德 Ostwald 稀释定律 改写成线性方程为 以对作图得一直线 斜率为 截距为 由此可求得和 推导 整理可得 电解质溶液的电导通常利用惠斯登 Wheatston 电桥测 量 但测量时不能用直流电源 因直流电流通过溶液时 导致电化学反应发生 不但使电极附近溶液的浓度改变引 起浓差极化 还会改变两极的本质 因此必须采用较高频 率的交流电 其频率通常选为 1000Hz 另外 构成电导池 的两极采用惰性铂电极 以免电极与溶液间发生化学反应 惠斯登电桥的线路如图 8 1 所示 其中 S 为交流信号发生器 R1 R2和 R3是三个可变 交流变阻箱的阻值 Rx为待测溶液的阻值 H 为耳机 或示波器 C1为在 R3上并联的 可变电容器 以实现容抗平衡 测定时 调节 R1 R2 R3和 C1 使 H 中无电流通过 此 时电桥达到了平衡 则有 即 Rx的倒数即为溶液的电导 即 由于温度对溶液的电导有影响 因此实验应在恒温条件下进行 本实验通过测定 0 02mol KCl 溶液的电阻 求得电导池系数通过测定水 醋酸溶液的电导 G 分别求出其电导率 根据两式计算出各浓度醋酸溶液的 最后 以 三 仪器与药品 交流信号发生器 1 台 恒温槽 1 台 图 示波器 1 台 图 可变电阻箱 1 个 图 电导电极 1 个 图 电导池 1 个 图 10mL 移液管 2 支 0 02 mol dm 3 氯化钾溶液 0 1 mol dm 3 乙酸溶液 电导水 四 实验步骤 1 按 8 1 图连接好惠斯登电桥测量线路 调节恒温槽温度至 25 2 测定电导水的电导 依次用蒸馏水 电导水洗电极及电导池各三次 在电导池中装入 电导水 水面高度应高于电极铂片 2mm 以上 放入恒温槽中恒温后 测定其电阻 然后 更换电导水 再测定两次 取其平均值 3 测定醋酸溶液的电导 取 20mL 0 1 mol dm 3醋酸溶液注入电导池中 测定其电阻 用移液管从电导池中吸出 10mL 溶液弃去 用另一支移液管取 10mL 电导水注入电导池中 混合均匀 待温度恒定后 测量其电阻 如此操作 共稀释 4 次 即分别测定 0 1 0 05 0 025 0 0125 0 00625 mol dm 3五个浓度溶液的电阻 Rx 4 测定电导池系数 按 2 中所述方法测定 0 02 mol dm 3的 KCl 溶液的电阻 重复测定 三次 取其平均值 已知 25 时 0 02 mol dm 3的 KCl 溶液的电导 KCl 0 2765S m 1 5 将上述测量数据及处理结果记录于下表中 以对作图 由直线的斜率计算 已知 25 时 349 82 10 4 S m2 mol 1 40 9 10 4 S m2 mol 1 计算出 并与作图法得到 的相比较 实验关键提示实验关键提示 1 利用惠斯登电桥测定溶液的电导 关键是找到电桥的平衡点 一般测量步骤是 先 选择 R2 R1 1 理论上讲 此时所得到的结果的误差最小 再调节 R3使通过示波器 H 的 信号最小 但在测量电导水时 由于 Rx较大 可选择 R2 R1 10 或 R2 R1 100 2 对交流信号来说 电导池 Rx的两个电极相当于一个电容器 这一结果使电桥两支线 的位相不同 因而找不到示波器 H 中信号完全消失的位置 对于精确的测量 需要在电阻 R3上并联一个可变电容器 C1 以实现容抗平衡 另外 为避免外来电磁波的干扰 最好使 用屏蔽导线 接线柱的裸露部分尽量缩短 3 由于温度变化会影响电导 一般在室温下温度升高 1oC 电导将增加 2 因此测量 时应注意保持恒温 待测液一般需恒温 10 min 4 本实验所测定的醋酸溶液及电导水的电导率都是很小的 若其中有微量的杂质会引起 很大的实验误差 因此实验过程中必须保持样品的纯度 石英蒸馏器制备的二次蒸馏水的 电导率应小于 1 10 4 S m 1 测量样品的步骤遵循电导率由小到大的先后顺序 测量时电 导池和电导电极要用待测液洗干净 5 本实验所用电导电极是镀铂黑的铂电极 镀铂黑的目的是为了增大电极的表面积 减小电流密度 从而降低由电流引起的极化效应 因此在实验过程中不要用滤纸擦拭铂黑 以免使铂黑脱落而改变电导池系数 实验结束后 用蒸馏水冲洗电极 最后浸泡在蒸馏水 中 讨论讨论 电导测定不仅有助于研究电解质溶液的特性 也可直接用来解决一些化学问题 诸如计 算水的离子积 难溶盐的溶解度和弱电解质的解离度等 对于这些浓度极低的体系 一般 的分析方法难以精确测定 然而 正是由于浓度低 离子间的相互作用可以忽略 才有 m 一式成立 这便为电导法解决问题提供了方便 根据 可得 对于强电解质 如 AgCl PbSO4等 溶液 1 通过 和 可以计算出其溶解 度c 对于弱电解质 如 HAc 等 通过和c可以计算出解离度 其中可以查 表得到 因此电导法解决这类问题最终归结为电导率的精确测定 电解质溶液属于离子导体 其电阻同电子导体 如金属 石墨等 一样 也服从欧姆定 律和 推导 式 因此两者测量电阻的原理和方法相同 即可以利用惠斯登电桥 所 不同的是 电解质溶液的导电机理是由正 负离子共同承担的 导电过程中在两电极上总 是伴随着电化学反应 这种特殊性导致在测量技术上需做如下三点改变 1 使用交流电 源 2 因采用交流电源 所以不能用直流检流器 而改用示波器或耳机 3 需补偿 电导池的电容 为防止电导池中溶液浓度改变而产生极化 交流电源的频率应高一些 但是另一方面 由于电阻箱 R1 R2 R3 存在电感和电容 电导池也有电容 因此在使用高频交流信号 时 电桥平衡条件应当是 式中 Z 是阻抗 包括电阻 电容和电感 若交流信 号的频率不太高 则电感和电容的影响可以忽略 此时 仍然成立 综合以上因 素 交流信号的频率一般选择在 1000Hz 左右 电导电极的选用应根据被测溶液电导率的大小而定 对电导率大的溶液 应选择电导池 系数大的电极 反之 则选择电导池系数小的电极 本实验的示零装置采用示波器 其灵敏度高而且很直观 但常受到外来电磁波的干扰 若采用低阻值的耳机则可避免这种干扰 但灵敏度不高 且克服不了测量过程中的人为因 素 应用电导法测量可以解决多种实际问题 它是电化学测量技术中最基本的方法之一 由 于具有准确 快速的优点 所以在实际中得到广泛的应用 如水质的检验 电导滴定 通 过测定电导确定工业用水的含盐量以及增大溶液的电导使电解时能耗降低等等 近年来 由于实验技术的不断发展 已出现许多测定电导率的专用仪器 它是把测出的电阻值换算 成电导率直接显示在仪器上 其测量原理与惠斯登电桥类似 通过本实验学习希望同学们 能够掌握这种方法 并学会运用电导知识分析电解质溶液的一些性能 25oC 时醋酸解离平 衡常数的文献值为 1 754 10 5 同学们将计算结果与此比较 分析产生误差的原因 并对本实验装置的测量精度作出评价 思考题 能否通过测量电极间的距离和极板面积来求得电导池系数 应如何得到电导池系数 答 不能通过测量电极间的距离和极板面积来求算电导池系数 因为极板镀铂黑 表面 凸凹不平 其面积不可能通过几何测量算准 可以通过测量已知电导率的 KCl 溶液的电导算 出 2 测电导时为什么要恒温 实验中测电导池系数和溶液电导时 温度是否要一致 答 因为电导与温度有关 所以测量时要在恒温条件下进行 测量蒸馏水和测量醋酸溶 液的电导 两者的温度应保持一致 而测量电导池系数 用 KCl 溶液 的温度可以与醋酸 溶液不同 因为电导池系数与温度无关 只要使 KCl 溶液的电导率与温度对应即可 3 实验中为什么要用铂黑电极 使用时应注意什么 答 镀铂黑的目的是为了增大电极的表面积 减小电流密度 从而降低由交流电引起的 极化效应 但使用时要注意 不要用滤纸擦试铂黑 以免使铂黑脱落而改变电导池系数 实验结束后 用蒸馏水冲洗电极 并浸泡在蒸馏水中 4 测定溶液的电导为什么要用交流电桥 能否用直流电桥 答 测量溶液的电导不能用直流电源 因为直流电通过溶液时 由于电化学反应的发 生 不但使电极附近溶液的浓度改变而引起浓差极化 还会改变电极的本质 因此必须采 用交流电源 使交流电前半周在电极上产生的变化在后半周得以抵消 实验八 电导法测定弱电解质的解离平衡常数 姓名 学号 地点 实验日期 室温 气压 一 实验目的 二 实验原理 三 实验操作 1 写出实验所用的仪器和药品 2 写