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1、化工系化工系 任婷唯任婷唯 2009011855 实验实验 14 离子迁移数的测定离子迁移数的测定 界面法界面法 姓名 任婷唯 班级 化 92 学号 2009011855 同组实验者姓名 于新宇 实验指导老师 杨忠强 实验日期 2011 10 29 提交报告日期 2011 11 03 1 引言引言 1 1 实验目的实验目的 1 采用界面法测定 H 离子的迁移数 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 Qqq 每种离子
2、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 t Q q t Q 1 且 1tt 2 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 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
3、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 化工系化工系 任婷唯任婷唯 2009011855 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 Q 的电 流通过每个静止的截面时 t Q 当量的 H通过界面向上走 t Q 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 aa 在该界面以下没有H 而被其它的正离 子 例如 2 Cd 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
4、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 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H 带电的总数 即 qVNF 3 式中 N 为H 的浓度 F 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 U 较小 即 2 CdH UU 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
5、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 迁移走后的区域 Cd2 紧紧地跟上 离子的移动速度 v 是相等的 2 CdH vv 由此可得 2 CdH U dEdE U dLdL 5 结合 4 式 得 dEdE dLdL 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 化工系化工系 任婷唯任婷唯 2009011855 任何 Cd2 进入低电位梯度的 HCl
6、 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 实验操作实验操作 2 1 实验药品 仪器型号及测试装置示意图实验药品 仪器型号及测试装置示意图 迁移管 超级恒温水浴 Cd 电极 Ag 电极 毫安表 稳压稳流电源 HCl 溶液 0 1263mol dm 3 甲基橙 秒表 仪器型号 DYY 2C 型电泳仪 实验装置图如下 图 2 14 3 实际实验时的装置图 2 2 实验条件实验条件 室温 15 8 气压 102 18kPa 湿度 48 2 恒温水浴槽温度 25 盐酸浓度 C 0 1263mol mL 2 3 实验操作步骤及方法要点实验操作步骤及方法要点 1
7、 按图 2 14 2 安装仪器 配制及标定浓度约为 0 1mol dm 3的盐酸 加入少许甲基橙 使溶液呈红色 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 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 6 7mA 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
8、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 观察界面有何变化 再打开电源 过数分钟后 再观察之 试解释产生变化的原因 3 实验完成 在迁移管中加满蒸馏水 4 若毫安表未校正 可用电势法校正 用电势法校正毫安表的方法如图 2 14 3 所示 电位计 未知 两接线柱接标准电阻 测 其两端的电位降 由下式计算真实电流 化工系化工系 任婷唯任婷唯 2009011855 V I R 标准电阻两端电位降 标准电阻值 与毫安表指示电流比较 5 以上实验是电压恒定
9、 通过测量电流随时间的变化来得到迁移数的 试用恒电流的方 法重复上述实验 用电流恒定 I 3mA 的方法 我们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 试比较两种方法 特别要注意恒电流实验 时 要重新用砂纸打磨 Cd 电极 Ag 电极 对于反应管也要重新润洗 6 时间允许可选做以下内容 改变恒温水浴温度分别为 35 40 50 分别测定它们 的迁移数 3 结果与讨论结果与讨论 3 1 原始数据记录原始数据记录 表1 恒压U 147V数据 t s I mA 0 6 839 60 6 560 120 6 309 180 6 087 240 5 8
10、96 300 5 710 360 5 544 420 5 391 480 5 255 540 5 126 600 5 003 660 4 891 720 4 786 780 4 692 840 4 599 900 4 512 化工系化工系 任婷唯任婷唯 2009011855 960 4 356 1020 4 280 1080 4 212 表 2 恒压时界面过整刻度时的数据 刻度 ml t s I mA 0 1 240 5 896 0 2 498 5 214 0 3 804 4 654 0 4 1145 4 205 表 3 恒流时界面过整刻度时的数据 刻度 ml t s I mA Q C 0 0
11、 3 998 0 000 0 1 374 3 998 1 495 0 2 747 3 998 2 986 0 3 1118 3 998 4 470 0 4 1490 3 998 5 957 0 5 1861 3 998 7 440 注 恒流时 Q I t 故可以直接计算出电量值 3 2 计算的数据 结果计算的数据 结果 3 2 1 恒压时的数据处理 根据原始数据 绘制出在恒压条件下 电流随时间的变化图 利用MATLAB进行线性拟合 得到的结果是 化工系化工系 任婷唯任婷唯 2009011855 I 1 35E 09 3 52E 06 4 67 03 6 83 因为 t IdtQ 0 所以Q 1
12、 35E 09 3 52E 06 4 67 03 6 83 t 根据表2里的时间数据 利用拟合的公式 计算出界面经过整刻度时的电量值 列于下 表 表 4 恒压时界面过整刻度时的数据 刻度 ml t s I mA Q C 0 1 240 5 896 1 520 0 2 498 5 214 2 946 0 3 804 4 654 4 451 0 4 1145 4 205 5 940 根据表4 数据 做出Q V曲线 并拟合直线 如下图所示 从而可以得到 V 0 0677Q 0 00152 相关系数R 0 9999 dV dQ 0 0677 t cFdV dQ 0 1263 10 3 96500 0
13、0677 0 8251 t 1 t 0 175 3 2 2 恒流时的数据处理 根据表3 数据 同上 做出恒流下Q V曲线 并拟合直线 如下 化工系化工系 任婷唯任婷唯 2009011855 从图中可以看出 V 0 0672 Q 0 00108 相关系数 2 R 1 0000 dV dQ 0 0672 从而可以得到 t cFdV dQ 0 1263 10 3 96500 0 0672 0 08190 t 1 t 0 181 3 3讨论分析讨论分析 3 3 1 与文献值作比较与文献值作比较 查阅 物理化学 得到 298 15K条件下 浓度为0 10mol dm 3的HCl溶液的正离子迁移 数为0
14、8314 本实验所用溶液浓度为0 1263 mol dm 3 近似为0 10mol dm 3 将两次实验所得 数据进行平均 得t 0 822 t 0 188 实验值与理论值的相对误差为2 1 有一定的误差 结果比较如下 表 5 HCL 的正离子迁移数 文献值 恒压法值 恒流法值 测量平均值 相对误差 0 8314 0 8251 0 8190 0 8220 1 13 3 3 2 误差分析误差分析 实验发现 用恒流法和恒压法测定的正离子数与文献值相差并不大 基本可以认为是与 文献值符合的 误差考虑可能来自两方面 一方面使溶液浓度并非严格的0 1mol dm 3 由于 HCl存在挥发性 所以也不能认
15、为一定大于0 1mol dm 3 另一方面可能是由于在实验中 对于整刻度线的界定以及记录数据时出现的时间有先后不是严格同步的造成的 3 3 3 讨论与解释实验中观察到的现象讨论与解释实验中观察到的现象 实验中可以观察到的现象有 阳极有气泡产生 开始通电一段时间以后迁移管中出现界 面 界面上方为红色 下方为橙色 且界面不断向上移动 关掉电源后 液面模糊 重新打 开电源 界面又清晰 现象解释 电解时 阴极上发生还原反应 2 22HeH 故有气泡产生 阳极发生 氧化反应 2 2CdeCd 阴极附近的溶液为CdCl2 呈中性 在甲基橙中显橙色 而HCl 化工系化工系 任婷唯任婷唯 2009011855
16、 溶液呈酸性 使甲基橙显红色 从而形成清晰界面 随着H 不断减少 Cd2 不断增多 界面 也不断上移 4 参考文献参考文献 1 物理化学实验 清华大学化学系物理化学实验室编写组 清华大学出版社 2 物理化学 朱文涛 清华大学出版社 5 思考题思考题 1 为什么在迁移过程中会得到一个稳定界面 为什么界面移动速度就是 H 离子移动速 度 答 电解时 阴极上发生还原反应 2 22HeH 故有气泡产生 阳极发生氧化反 应 2 2CdeCd 阴极附近的溶液为CdCl2 呈中性 在甲基橙中显橙色 而HCl溶液 呈酸性 使甲基橙显红色 从而形成清晰界面 随着H 不断减少 Cd2 不断增多 界面也不 断上移 2 实验过程中电流值为什么会逐渐减小 答 因为随着点解的进行 溶液中的离子浓度越来越小 从而使溶液的导电能力减小 也即溶液的电阻增大 所以电流值越来越小 3 如何求得 Cl 离子的迁移数 答 因为1 ClH 所以 求得氢离子迁移数后 即可以得到氯离子迁移数
