界面法测离子迁移数-2006030027

1、离子迁移数的测定-界面法吴大维2006030027 生64 同组实验者：王若蛟实验日期：2008年5月29日 提交报告日期：2008年6月6日助教：张荣俊1引言1.1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Q 二q q_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t气,t.旦(1)Q且t. t_=1(2)在包含数种阴、阳离子的混合电解质溶液中，t_和t .各

2、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分为两类：一类是使用两种指示离子，造成两个界面；另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

3、迁移数。图 2-14-1 迁移管中的电位梯匮BB 2 14 2界面法测离子迁瞎數議置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，t Q当量的H +通过界面向上走，t_Q当量的CI -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Cd2 '）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

4、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q .=VNF（ 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 Ccf+淌度（U）较小，即U Cd2 * * U h （ 4）在图2-14-2的实验装置中，通电时，屮向上迁移C向下迁移，在 Cd阳极上Cd氧化，进+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,入溶液生成CdCl2,逐渐顶替HCI溶液，在管中

5、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HvCd2 = VH -o由此可得:(5)U dE_u dE结合（4）式，得UCd2 dL _Uh dL dE dE dL dL即在CdCl2溶液中电位梯度是较大的，如图2-14-1所示。因此若 因扩散作用落入 CdCl2溶液这样界面在通电过层。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 HCI层。同样若任何 Cd2+ 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，程中保持清晰。2实验操作2.1实验药品、仪器型号及测试装置示意图实验仪器：DYY-川型稳压稳流电泳仪1个、SL-1恒温

6、仪1个、电迁移法迁移数测定仪 1套、万用表1个、 秒表1个实验药品：0.09549mol/L HCl溶液（已加入甲基橙指示剂）2.2实验条件恒温槽温度：30.0 C2.3实验操作步骤及方法要点仪器准备按图2-14-2安装仪器。用少许已加入甲基橙的盐酸溶液润洗迁移管两次，而后在整个管中（安装前检查镉电极,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 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。2.3.2 恒压法测定打开稳压稳流电源，选择开关搬至稳压，调节电流在67mA之间。随着电解进

7、行，阳极镉会不断溶解变为 CcT,由于离子的迁移，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。恒流法测定倒净迁移管中溶液，用加入甲基橙指示剂的盐酸溶液再润洗迁移数测定仪两次，磨去Cd电极表面被腐蚀的部分。在测试仪中装满HCI溶液，装好仪器。将电源调制恒流状态，使电流稳定在3mA左右。当界面到达0刻度线之时开始计时

8、，界面移过整刻度时记录一次时间，直至界面移过0.5mL之后停止通电，实验结束。2.3.4 实验完成倒净盐酸溶液，在迁移管中加满蒸馏水。2.3.5 注意事项1. 往迁移管中灌装盐酸溶液时，管中不可有气泡，否则形成断路。2. 实验前检查镉电极，去除氧化层。3. 防止迁移管内两层间的对流和扩散。所以迁移管内温度应均匀，且温度不宜过高；通 过的电流不宜过大；迁移管截面积要小；实验时间不宜过长。3结果与讨论3.1原始实验数据恒温槽温度：30.0oCCHci=0.09549mol/L表1恒压测定迁移数原始数据记录表体积V/ml时间t/s电流I/mA007.099606.6231206.2480.11715

9、.9321805.8922405.6323005.3603605.1580.23715.1124204.9564805406004.7924.6224.4950.36384.3986604.3597204.2467804.1288404.0300.48773.9639003.9479603.84910203.76710803.68911403.61612003.5420.512043.534上表中时间从界面上升至 0刻线开始连续计时，每分钟记录一次万用表电流示值；界面每上 升0.1ml （至整刻度时）记录相应时间和电流值。表2恒流测定迁移数原始数据记录表体积V/ml时间t/s电流1/mA003

10、.1000.13653.1000.27223.1000.310813.1000.414363.1000.517973.100上表中时间从界面上升至0刻线开始连续计时，只记录界面每上升0.1ml （至整刻度时）的时间，电流值为万用表在这段时间内示值大致的平均数。3.2计算的数据、结果3.2.1 恒压法测定离子迁移数 利用EXCE对原始数据作图可得下图：Ar流电876543210恒压法测迁移数的电流一时间关系图线200400600800100012001400时间t/s图1恒压法的电流一时间图线为了处理数据方便，采用三次多项式拟合实验数据，得到公式：-9 3-6 22y = -2 X 10 x +

11、 6 X 10 x - 0.0071X + 7.0355 R= 0.9994可见R直非常接近1,所以该公式可以用来准确地处理实验原始数据。由积分可得界面扫过0.1-0.4,0.2-0.5,0.1-0.5毫升所对应的时间内曲线所包围的面积，即求出电量：Q-4=3.38C Q2-5=3.55CQ1-5=4.66CcFV由公式t，且已c=0.09549mol/l, F=96500C，则可求得：Itt+1=0.818t+2=0.779t+3=0.791所以 t + = (t+1+t+2+t+3)/3=0.796即测得氢离子的迁移数为：0.796恒压法测定离子迁移数由平均电流3.0075mA也可求得界面

12、扫过0.1-0.4,0.2-0.5,0.1-0.5毫升所对应的时间内曲线所包围的面积，即求出电量：Q-4=3.32C 96.49564 Q 2-5=3.33C Q 1-5=4.44CcFV由公式t，且已c=0.09549mol/l, F=96500C，则可求得：Itt +1=0.833t+2=0.830t+3=0.830所以 t += (t +1+t +2+t +3)/3=0.831即测得氢离子的迁移数为：0.8313.3讨论分析与标准值对比计算相对误差经过查阅文献，氢离子的迁移数为0.831恒压法测迁移数 E=|0.796-0.831|/0.831*100%=4.21%恒流法测迁移数E=|0

13、.831-0.831|/0.831*100%=0%(误差很小)误差分析本次实验虽然原理比前几次实验都显得简单一些，但操作的时候还是很需要技巧的。如果一些细节处理不好，不仅会对实验结果产生影响，而且会影响实验的顺利进行。在拔掉灌液管加装镉电极时很容易引入气泡， 而且出现的气泡很难除掉， 有时候甚至要 放掉整管溶液才能排出气泡。 后来我们发现灌液管不能和容器下端入口连接过多， 而且拔出灌 液管时动作要慢，这样可以防止空气进入溶液内。本次实验时间比较长，由于每分钟都要记数，所以从始至终都要保持高度的精神集中， 尤其是在不知道万用表会在什么时候就自动关机的情况下。 有的时候界面上升至整刻度时， 秒 表

14、上的时间也很接近整分钟， 这时我们就有些手忙脚乱了， 既要观察界面位置， 又要读时间和 电流值，特别是第一次遇到这种情况的时候，所以时间和电流值的误差有时会比较大。随着反应的进行，通电后由于 CdCl2层的形成电阻加大，电流会渐渐变小。但是实际观 察中可以发现，电流值并不是均匀下降，有时降得快有时降得慢，并且时常还会有反弹迹象。 总之电流表示值的波动比较大， 在恒流测迁移数时也给电流平均值的估计带来一定的麻烦，这应该和万用表的灵敏度有关系。实验中发现交界面上升的速度跟电流大小正相关， 不过通常很慢， 尤其是上升得比较高 得时候。 仅仅通过人眼的观测， 并不能准确掌握分界面到达整刻度线的尺度，

15、可能会造成五秒 左右的偏差。 我们在实验中将一张白纸衬在迁移管后， 这时可清楚地观察界面位置， 而拿开白 纸由可观察刻度，这样反复操作能够最大限度地准确掌握界面到达整刻度的时间。3.3.3 现象解释 当界面到达第五刻度后关闭电源，数分钟后红色在原处扩散，界面变模糊；再打开电源，界面又变清晰，且继续慢慢上升。这是因为通电时 向上迁移C向下迁移，Cd电极上Cd氧化， 进入溶液生成CdCl2，逐渐顶替HCI溶液，在管中形成界面，界面上下溶液 pH值不同，在甲基橙 存在时显不同颜色， 界面的移动速率等于 1迁移速率；一旦不通电流，则管中离子逐渐停止迁 移，界面上下溶液开始混合，界面变模糊；继续通电，J继续向上迁移，则界面也向上移动。实验中还发现阴极附近有气体产生，阴极附近颜色变浅，这是因为H在阴极得电子变成H2逸出，阴极附近pH上升，甲基橙颜色变浅。4 结论经过查阅文献，氢离子的迁移数为 0.831 。恒压法测出的结果为 0.796 ，相对误差 4.21%，误 差略大。恒流法测出的结果为 0.831 ，误差很小，可以很好吻合文献值。总的来讲，用界面移动 法可以较准确的测离子的迁移数。5 参考文献清华大学化学系物理化学实验编写组，物理化学实验，清华大学出版社，19916 附录（思考题）5.1 如何划分阴极区，阳极区以及中间区？划分原则是