离子迁移数的测定实验报告

1、离子迁移数的测定实验报告离子迁移数的测定界面法姓名：张冶学号：班级 :化 21同组实验者：努尔艾力·麦麦提实验日期： 2014 年 12 月 4 日提交报告日期： 2014 年 12 月 7 日实验助教：王溢磊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与方法。1.2 实验原理 1当电流通过电解池溶液时， 电极上发生化学变化，溶液中阳离子与阴离子分别向阴极和阳极迁移。若两种离子传递的电荷量分别为q+和 q-，通过的总电荷量为?= ? + ?+-每种离子传递的电荷量与总电荷量之比称为离子迁移数，则阴、阳离子的迁移数分别为?- =?

2、-?+? =+?且?+ +?- = ?在包含数种电解质的溶液中， t-和 t+分别为所有阴、阳离子迁移数总和， 一般增加某种离子浓选择合适的指示离子在通电情况下达到，Cd2+就符合这个要求。 Cd2+的淌度 (U)较小，有? ?+< ?+?通电时， H +上行 Cl -下移， Cd 在 Cd 电极上氧化并经入溶液中生成 CdCl 2，逐渐顶替 HCl ，在管内形成界面。 由于溶液呈电中性， 任意截面都不会中断传递电流， H +迁移走后 Cd 2+紧随其后且两者迁移速率相等，则? ?+= ?+?>? ?说明 CdCl 2 溶液中电位梯度较大 (如图 1)，导致 H +难以扩散至下层，

3、而 Cd2+也难以扩散到界面以上，可保持界面清晰。2 实验操作2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图一次性移液管， DC-0510 节能型智能恒温槽，DHD 300 V/500 mA 直流稳压稳流电源， Cd 电极，针状 Ag 电极，UT56 数字万用电表， HCl-甲基橙溶液 (HCl 浓度为 0.100 mol/L) ，秒表。2.2 实验条件实验室中为 102.10 kPa，11.2 。2.3实验操作步骤及方法要点1) 用带有甲基橙的盐酸润洗两次迁移管，然后加满盐酸溶液。将镉电极打磨后在套管中加满盐酸溶液，安装在迁移管下部，并注意排出气泡。将银电极置于顶部，迁移管垂直固定避免震荡，连接

4、好线路。2) 调稳压稳流电源至稳压，电流 67mA。当界面移动到第一个刻度时， 立刻打开秒表。 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、 第三等整数刻度时， 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（每两个刻度的间隔为0.1mL）。3) 关闭开关，过几分钟后观察界面， 再打开电源，数分钟再观察。试解释该现象。4) 用恒电流方法重复实验 （I=3mA），只需记录电流值及界面迁移到整数刻度 （0.1 mL，0.2 mL0.5mL）的时间。5) 实验完成，清洗迁移管，整理实验台。3 结果与讨论3.1 原始实验数据溶液酸度为 0.100mol/L 。水浴温度： 25

5、.0 室温：11.2 室内压力： 102.10kPa1）恒压条件洗下测定数据：表 1 恒压条件下测的数据整数刻度电流时间（mA）数00.100续表 10.20004.76014.58924.4434.30044.1764min34s4.10454.05863.94973.84883.75993.675恒压条件下测的数据9min46s3.611103.593113.520.3000.4000.500123.451133.385143.322153.26415min43s3.224163.209173.158183.108193.059203.015212.969222.92822min14s2.

6、917232.886242.847252.809262.775272.740282.707292.67829min28s2.6642）恒流测量数据：恒流条件下电流值表 2 恒流条件下数据的测量整数刻度数时间0.1000.2000.3000.4000.5006min41s13min18s19min57s26min32s33min9s3.2 计算的数据、结果a. 恒压数据处理思路：1) 选定几组刻度范围， 做出电流时间图， 利用曲线所包围的面积求出几组刻度范围内的电荷量 Q。图 1恒压下 I-t曲线图 2 恒压下电量 -t 积分曲线定三组刻度范围刻度 14,25,15 。利用origin 计算积分

7、，求出三组刻度范围所对应时间内的电荷量如下：表 3恒压下定区域电荷量数据点范围电荷量 It电荷量 Q（C）（mA·min）1460.3993.6242560.2263.6161580.3694.8222) 求出几组刻度范围间的体积 V。因为相邻两个整数刻度间的体积为 0.1mL，所以上述数据点范围间的相应体积为：表 4 恒压下体积比变化数据点范围 体积（ mL）140.3250.3150.43) 利用 q VCF 和 t qQ ，求出迁移数，取几组数据的平均值。表 5恒压下数据处理结果数据电荷体积点范量 Qtt均值q （C）+围（C）（mL）143.6240.32.8950.7992

8、53.6160.32.8950.8010.800154.8220.43.860.800文献值0.831 。2 （注：此文献值为盐酸浓度为 0.100mol/L下氢离子的迁移数，此处取为近似参考值）相对误差实验值 - 文献值?= | ? ?%文献值(?.-?.)= | ? ?%?.= ?%.b. 恒流数据处理思路：表 6 电流恒定时的数据序号123456刻度00.1000.2000.3000.4000.500/mL时间06min41s13min18s19min57s26min32s33min9s电流3.003 3.0023.0023.0023.0033.003值/mA(2)电流恒定：分别为电流恒

9、定条件下的电流 - 时间曲线和积分曲线。图 3恒流时电流波动图 4恒流下电量 -t积分曲线从积分曲线图中可以读出第 1、2、4、5 整刻度点处 (取 0.1 mL 刻度为第一刻度 )的电量值，分别为 1563.61 mC、3091.23 mC、6158.27 mC、7701.50 mV，列出表 4表 7 恒流下定区域电荷量刻度区段 体积 /mL时间 /s电荷量/mC140.30011494594.66250.30011634610.27150.40015356137.89表 8恒压下数据处理结果数据电荷体积点范量 Qt +均值q+（C） t +围（C）（mL）143.5940.32.89525

10、3.5760.32.895154.7800.43.860.8060.8080.8100.808相对误差实验值 - 文献值?= | ? ?%文献值(?.-?.)= | ? ?%?.= ?%.3.3 讨论分析查阅文献得，25时，H +浓度为 0.1 mol/L 时，氢离子的迁移数为 0.831，实验数据的处理结果分别为 0.800 和 0.808，偏差分别为3.73%与 2.77%，两次结果均偏小，但误差不是很大。实验中观察到管内出现界面， 界面上部分溶液为红色，下部呈无色。 并且界面随着反应的不断进行而逐渐上移随着电解反应的进行，界面不断上移，且在 Ag 电极表面，不断有气泡产生，进入到大气中。

11、关闭电源后，发现原有的清晰界面逐渐表模糊，但是再次打开电源后，几分钟内，界面重新出现且变清晰，并继续上移。这是因为关闭电源后， 外电场不再给体系施加作用，导致 H +逐渐扩散至界面以下，使界面模糊。当又打开电源后， 外加电场重新作用，使 H +向上移动，从而重新产生清晰界面。实验中，将 Ag 电极置于上端而 Cd 电极置于下端，这是因为在反应的过程中会在 Ag 电极上不断产生氢气，若将 Ag 电极置于下端，产生的气泡将从整个装置中流过， 将引起氢离子的浓度波动，破坏实验整体的稳定性。3.4 误差分析两种方法的测量均存在的一个问题就是对是否到达整数刻度的判断。 由于刻度线存在一定的宽度，读数时需

12、保证每次液面均提升到同一位置后再记录，否则可能由于确定是否达到整数刻度的标准不同，造成记录上的误差。还有就是仪器内部的润洗、电极的打磨等，都会对实验结果造成一定的误差。对于恒压测量，主要误差可能出现在电流示数的读取。在开始计时初期，由于电流下降较快，万用表的示数变化比较快， 可能在记录时， 在较短的时间内先后观测到两个值， 从而在取舍时发生一定的错误。对于恒流测量，虽然电流出现过一定的波动，但其波动仅为0.001mA，影响不大，不过由于数据点的数量很少， 所以可能由于数据过少而使最后的结果并不可靠。4 结论25 条件下，在氢离子为 1mol/L 的情况下，恒压条件下测得的氢离子迁移数为 0.8

13、00，恒流条件下测得的氢离子的迁移数为 0.808。5 参考文献 1 贺德华，麻英，张连庆 . 基础物理化学实验 . 北京：高等教育出版社， 2008： 76-80.2 朱文涛 , 基础物理化学下册 , 北京，清华大学出版社， 2011.116 附录思考题1. 为什么在迁移过程中会得到一个稳定界面？为什么界面移动速率就是 H 离子移动速率？答： Cd2+的淌度 (U) 较小，而 H +和 Cd2+ 迁移速率相等，所以 CdCl 2 溶液中电位梯度是很大的。因此，若 H 扩散至 CdCl 2 溶液中，则它就不仅比 Cd2+迁移的快，而且比界面上的 H 迁移的也要快，能返回 HCl 层，同样若Cd2+向上扩散至 HCl 溶液中也会很快返回至界面以下，这样界面将保持清晰。 总的过程类似于负反馈。2. 实验过程中电流值为什么会逐渐减小？答：因为实验中采取的是稳压的方式， 随着电解的进行，溶液中 H 浓度越来越小，而Cd2+的浓度则越来越大， Cd2+的淌度小，即相当于电阻不断增大，在等电压的情况下，由 I=U/R 可得，电流值不断减小。3. 如何求得 Cl 离子的迁移数？答：溶液中 ? + ? = ?，所以要得到 Cl 的+-迁移数，只