电势-PH曲线实验报告

1、基础化学实验 实验十二 电势-pH曲线的测定 姓名：赵永强 指导教师：吴振玉一 、目的要求 1. 掌握电极电势、电池电动势及 pH的测定原理和方法。 2. 了解电势-pH图的意义及应用。 3. 测定Fe3+/Fe2+-EDTA溶液在不同pH条件下的电极电势，绘制电势-pH 曲线。 二、实验原理 很多氧化还原反应不仅与溶液中离子的浓度有关，而且与溶液的pH值有关, 即电极电势与浓度和酸度成函数关系。如果指定溶液的浓度，则电极电势只与溶 液的pH值有关。在改变溶液的pH值时测定溶液的电极电势，然后以电极电势 对pH作图，这样就可得到等温、等浓度的电势一 pH曲线。 对于Fe3+/Fe2+-EDTA

2、配合体系在不 同的pH值范围内，其络合产物不同，以 Y4-代表EDTA酸根离子。我们将在三个不 同pH值的区间来讨论其电极电势的变化。 高pH时电极反应为 Fe（OH）Y2+e 二 FeY2-+OH- 根据能斯特（Nernst）方程，其电极电势为： （标准） % a Fe(OH)Y2- 稀溶液中水的活度积 成 Kw可看作水的离子积，又根据 pH定义，则上式可写 （标准） b1 RTln m(FeY2) 叫 Fe(OH)Y 2) 2.303RT F pH RT（FeY2） Kw 其中b1= ln厂。 F（Fe（OH）Y2 ） 在EDTA过量时，生成的络合物的浓度可近似看作为配制溶液时铁离子的浓

3、2-2+2+3 + 度。即mFeY mFe 。在mFe / mFe不变时，与pH呈线性关系。如图中的 cd段。 在特定的PH范围内，Fe2+ft Fe3+能与EDTA生成稳定的络合物FeY2-和 FeY-，其电极反应为 FeY- + e = FeY2- 其电极电势为 （标准） RT F ln aFeY2 aFeY- 式中, 浓度） （标准）为标准电极电势；a为活度，a = m（为活度系数；m为质量摩尔 则式（1）可改写成 （标准） RTln FeY2- FeY- 巴ln业 F 叫 eY- b2 -五业 F 叫eY- 式中, b2= RTln FeY2- 。 FeY- 当溶液离子强度和温度一定时

4、, b2为常数。在此pH范围内，该体系的电极 电势只与 2- mFeY /mFeY的值有关，曲线中出现平台区（上图中 bc段） 低pH时的电极反应为 则可求得： FeY+H+e FeHY （标准） b2 RT “ HY- F叫 eY- 2.303RT F pH 2+3+ 在mFe / mFe不变时, 与pH呈线性关系。如图中的ab段 (NH4)2Fe(SO4)2 6H2O (NH4)Fe(SO4)2 12H2O HCl NaOH EDTA 铂电极 N2(g) 滴管 三、仪器试剂 数字电压表 数字式pH计 500ml五颈瓶（带恒温套） 电磁搅拌器 药物天平（100 g） 复合电极 温度计 50容

5、量瓶 四、实验步骤 1、按图接好仪器装置图 水 3 1. 酸度计 2.数字电压表 3.电磁搅拌器 4.复合电极 5.饱和甘汞电极 6.铂 电极 7.反应器 仪器装置如图 I 24.2 所示。复合电极，甘汞电极和铂电极分别插入反应 器三个孔内， 反应器的夹套通以恒温水。测量体系的 pH 采用 pH 计，测量体系的电势采用 数字压表。用电磁搅拌器搅拌。 2、配制溶液 预先分别配置 0.1mol/L(NH 4)2Fe(SO4)2, 0.1 mol/L (NH 4)Fe(SO4)2 (配前加 两滴 4 mol/L HCl), 0.5 mol/L EDTA (配前加 1.5 克 NaOH), 4 mol

6、/L HCl , 2 mol/L NaOH 各 50ml。然后按下列次序加入：50ml0.1mol/L(NH 4)2Fe(SO4)2, 50ml0.1 mol/L (NH 4)Fe(SO4)2，60ml0.5 mol/L EDTA ，50ml 蒸馏水，并迅速通 N2。 3、将复合电极、甘汞电极、铂电极分别插入反应容器盖子上三个孔，浸于液面 下。 4、将复合电极的导线接到 pH 计上，测定溶液的 pH 值，然后将铂电极，甘汞电 极接在数字电压表的“” 、“”两端，测定两极间的电动势，此电动势是相对 于饱和甘汞电极的电极电势。用滴管从反应容器的第四个孔(即氮气出气口 )滴入 少量 4mol/LNa

7、OH 溶液，改变溶液 pH 值，每次约改变 0.3，同时记录电极电势 和 pH 值，直至溶液 PH=8 时，停止实验。收拾整理仪器。 五、实验数据记录与处理 pH值 电势 /mv pH值 电势/mv 9.28 -5.4 5.86 122.3 8.96 12.2 5.6 122.8 8.9 15.6 5.28 123.1 8.81 20.6 4.49 123.5 8.69 28 4.04 124.5 8.09 61.8 3.67 126.6 7.81 76.3 3.4 129.2 7.51 91.3 3.26 131.3 7.16 105.9 3.11 134 6.8 115.4 3 136.8

8、 6.59 118.4 2.88 140.1 6.51 119.2 2.78 143.3 6.33 120.5 2.72 144.9 6.11 121.3 2.62 149.2 6.07 121.8 2.53 152.6 5.96 122 200 电劳-pH曲线 PH 六、讨论 电势-pH图的应用 电势-pH图对解决在水溶液中发生的一系列反应及平衡问题(例如元素分 离，湿法冶金，金属防腐方面)，得到广泛应用。本实验讨论的 Fe3+/Fe2+-EDTA 体系，可用于消除天然气中的有害气体 H2S。利用Fe3+-EDTA溶液 可将天然气 中H2S氧化成元素硫除去，溶液中Fe3+-EDTA络合物被还

9、原为Fe2+-EDTA配合 物，通入空气可以使F0-EDTA氧化成Fe3+-EDTA，使溶液得到再生，不断循 环使用，其反应如下： 脱硫+ 2FeY +H2S2FeY2+2H+S -1再生 2FeY2 + O2+H2O 再生 2FeY +2OH 2 在用EDTA络合铁盐脱除天然气中硫时，Fe3+/Fe2+-EDTA络合体系的电势 -pH曲线可以帮助我们选择较适宜的脱硫条件。 例如，低含硫天然气H2S含量约 1 X 10-46X 10-4 kg m-3,在 25C 时相应的 H2S 分压为 7.2943.56Pa 根据电极反应 S+2H+2eH2S(g) 在25r时的电极电势 与H2S分压ph2

10、s的关系应为: (V) = 0.072- 0.02961lpH2s 0.0591pH 在图2-17-1中以虚线标出这三者的关系。 3+2+ 由电势-pH图可见，对任何一定 mFe / mFe比值的脱硫液而言，此脱硫液 的电极电势与反应 S+2H+2e H2S(g)的电极电势之差值，在电势平台区的pH 范围内，随着pH的增大而增大，到平台区的pH上限时，两电极电势差值最大， 超过此pH,两电极电势值不再增大而为定值。这一事实表明，任何具有一定的 3 +2+ mFe / mFe比值的脱硫液，在它的电势平台区的上限时，脱硫的热力学趋势达最 大，超过此pH后，脱硫趋势保持定值而不再随 pH增大而增加，

11、由此可知，根 据-pH图，从热力学角度看，用EDTA络合铁盐法脱除天然气中的 H2S时， 脱硫液的pH选择在6.58之间，或高于8都是合理的，但pH不宜大于12,否 则会有Fe(0H)3沉淀出来。 七、思考题 1写出Fe3+/Fe2+ EDTA络合体系在电势平台区、低pH和高pH时，体系的基本电极 反应及其所对应的电极电势公式的具表示式，并指出每项的物理意义。 高pH时电极反应为 Fe(OH)Y2-+e 一 FeY2-+OH- 其电极电势为： (标准) b1 RT F In m- mFe(OH)Y2- 2.303RT F pH 其中b1 = RTln (FeY2 ) Kw 2 (Fe(OH)Y

12、2 ) 在EDTA过量时，生成的络合物的浓度可近似看作为配制溶液时铁离子的浓度。即mFeY mFe 。在mFe2+/ mFe3+不变时，0与pH呈线性关系。 在特定的PH范围内，Fe2+和Fe3+能与EDTA生成稳定的络合物 FeY2-和FeY-，其电 极反应为： FeY- + e FeY2- 其电极电势为： 式中, RT , (标准)ln (FeY2-) RT ln m(FeY2-) =o b2巴 In m( FeY2-) F (FeY-) F m(FeY-) F m( FeY-) (FeY-)。当溶液离子强度和温度一定时, (FeY-) RTln b2为常数。在此pH范围内，该 体系的电极电势只与 mFeY2/mFeY的值有关，曲线中出现平台区。 低pH时的电极反应为 FeY-+H+e FeHY- 则可求得： (标准)b2学ln皿警h F讥FeY-)F 在mFe2+/ mFe3+不变