离子迁移数的测定——界面法

1、离子迁移数的测定一一界面法1引言1.1实验目的1、用界而移动法测定H离子迁移数。2、掌握测定离子迁移数的基本原理和方法。L2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q.和q_,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q_tq+t+=Q(2)t.匕二1在包含数种阴、阳离子的混合电解质溶液中，t_和t.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

2、，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，t_和t.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HCI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，tQ当量的H-通过界面向上走，t_Q当量的通过界面往下行。假定

3、在管的下部某处存在一个界面（aa）,在该界面以下没有H：而被其它的正离子（例如CcT）取代，则此界面将随着4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，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,H+输送电荷的数量为在该体积中1带电的总数，即q.二VCF式中，C为H的浓度，F为法拉第常数，电量常以库伦（C）表示。(4)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。CdC12溶液能

4、满足这个要求，因为CcT淌度（U）较小，即UCd':uH在图2-14-2的实验装置中，通电时，1向上迁移C向下迁移，在Cd阳极上Cd氧化，进入溶液生成CdC12,逐渐顶替HCI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，C"紧紧地跟上，离子的移动速度（v）是相等的，Vcd2.二Vh.。由此可得：dEdEUcd2Uh（5）Cd4H市dEdE结合（4）式，得住、（6）1 TIT即在CdC12溶液中电位梯度是较大的，如图2-14-1所示。因此若M因扩散作用落入CdC122+溶液层。它就不仅比Cd迁移得快，而且比界面上的H也要快，能赶

5、回到HCI层。同样若任何CcT进入低电位梯度的HCI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1.1 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-TUT56），直流稳压稳流电源（DHD300V/50mA北京大华无线仪器厂），秒表（SW2013SEWANSMTWTFS实验药品：HCI溶液（0.Imol-dm3）,甲基橙1.2 实验条件温169湿57%压101.965kPa1.3 实验操作步骤及方法要点团1 .按图2T4-2安装仪器。配制及标定浓度

6、约为0.Imoldm3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25Co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，再开始实图 2-14-2界面法测裔子迁移敌装置验。图2-13-1迁移管中的电位梯度6s7mA之间。随着电解进行,2 .打开稳压稳流电源，选择开关搬至稳压，调节电流在阳极镉会不断溶解变为CcT,由于离子的迁移，出现清

7、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，用蒸锵水润洗迁移管。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（I=3mA的方法，只需要记录电流值及界而迁移到整数刻度时（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

8、值为n5V表i：恒压条件下实验数据记录t/SI/niAV/mLt./sI/mAMmL04.7410.0009283.2370.300604.6389603.2111204.51110203.1471804.36910803.1032404.23311403.0542674.1640.10012003.0063004.10012602.9633603.98813182.9180.4004203.88913202.9174803.79113802.8725403.70014402.8385743.6540.20015002.8016003.61615602.7656603.53616202.732

9、7203.46116802.6977803.39317402.6678403.32917552.6590.5009003.265并可得如下曲线:5.0 n2.5-2Q0300600900120015001800t/s曲线图1:恒压法IB）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I-t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q.二VCF求出&quo

10、t;离子传递的电量q.,再由求出离子迁移数七。结杲如下表：表3恒压法实验结果V/mLt/sQmCq+/mCt+0.100-0.400267-13183608.0992894.5600.8022400.200-0.500574-17553628.2452894.5600.7977850.100-0.500267-17554823.6993859.4140.800094对表中t.取平均值得：平均迁移数t.=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，求出离子迁移数七。结果如下表：表4恒流法实验结果V/mLt/sQmCqfmCt+0.100-0.400385

11、-15713562.3472894.5600.8125430.200-0.500784-19693559.1442894.5600.8132740.100-0.500385-19694757.5413859.4140.811220对表中t.取平均值得：平均迁移数t.=0.8123464. 3讨论分析1、结果分析文献值：298.15K时0.Imol/L的HCI溶液的t.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%o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。HCI浓度不准确。温度变化影

12、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4生成Ha,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

13、，pH值升高，所以迁移管中液体的红色变淡，阳极区“被还原为H,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25c下，0.Imol/L的HCI溶液的离子迁移数为：恒压法：0.800040恒流法：0.8123465参考

14、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，CcF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HCI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Ccf，淌度（U）较小且+2+H迁移走后的区域，Cd紧紧地跟上，离子的移动速度（V）是相等的。通过计算可得CdCb溶液中电位梯度是较大的。因此若H因扩散作用落入CdC12溶液层。它就不仅比Cd"移得快，而且比界面上的H也要快，能赶回到HCI层。同样若任何CcT进入低电位梯度的HCI溶液，它就要减速，一直到它们重又