離子遷移數(shù)的測定實驗報告

1、離子遷移數(shù)的測定一一界面法姓名：張冶學(xué)號：班級：化21同組實驗者：努爾艾力麥麥提實驗日期：2014年12月4日提交報告日期：2014年12月7日實驗助教：王溢磊1引言1.1實驗?zāi)康?. 采用界面法測定 H+離子的遷移數(shù)。2. 掌握測定離子遷移數(shù)的基本原理與方法。1.2實驗原理當(dāng)電流通過電解池溶液時，電極上發(fā)生化學(xué)變化，溶液中陽離子與陰離子分別向陰極和陽極遷移。若兩種離子傳遞的電荷量分別為q+和q-，通過的總電荷量為則陰、陽離子的遷移數(shù)分別為每種離子傳遞的電荷量與總電荷量之比稱為離子遷移數(shù)，且在包含數(shù)種電解質(zhì)的溶液中，t-和t+分別為所有陰、陽離子遷移數(shù)總和，一般增加某種 離子濃度，其離子遷移數(shù)

2、增加；對只含一種電解質(zhì)的溶液， 濃度的改變使離子間引力場改變， 自然離子遷移數(shù)也改變；若溫度改變，遷移數(shù)亦變化，一般溫度升高時，t-和t+差別減小。實驗中采用界面法，以鎘離子作為指示離子，測量一定濃度的鹽酸溶液中 H+離子遷移數(shù)。 在一截面均勻的垂直放置的遷移管中充滿鹽酸溶液，通以電流，當(dāng)有Q電量的電流通過每個靜止的截面時，t+Q當(dāng)量的H+上行，t-Q當(dāng)量的Cl-通過界面下移。假定在管的下部某處存在+2+一個界面，界面以下沒有 H而被Cd取代，此界面將隨 H的上移而移動，界面位置可利用界 面上下溶液pH值的不同，使用指示劑顯色。正常條件下界面保持清晰，界面以上的一段溶 液保持均勻，H+向上遷移

3、的平均速率等于界面上移速率。在某通電時間 t內(nèi)，界面掃過體積 V川輸送電荷數(shù)為該體積中 廿帶電總數(shù)，即式中：C為川的濃度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，電荷量以庫 侖(C)計。 要想使界面保持清晰，須使界面上、下的電解質(zhì)不相混合，這可2+2+通過選擇合適的指示離子在通電情況下達(dá)到，Cd就符合這個要求。Cd的淌度(U)較小，有通電時，H+上行CI-下移，Cd在Cd電極上氧化并經(jīng)入溶液中生成 CdCl2,逐漸頂替HCI，在管內(nèi)形成界面。由于溶液呈電中性，任意截 面都不會中斷傳遞電流，遷移走后Ccf+緊隨其后且兩者遷移速率相等， 則說明CdCl2溶液中電位梯度較大（如圖1），導(dǎo)致難以擴散至下層，而 Ccf+也難以

4、擴散 到界面以上，可保持界面清晰。2實驗操作 2.1實驗藥品、儀器型號及測試裝置示意圖一次性移液管，DC-0510節(jié)能型智能恒溫槽，DHD300 V/500 mA直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，Cd電極，針狀A(yù)g電極，UT56數(shù)字萬用電表，HCI-甲基橙溶液（HCl濃度為0.100 mol/L），秒 表。2.2實驗條件實驗室中為 102.10 kPa , 11.2 C。2.3實驗操作步驟及方法要點- Aft陀按1）用帶有甲基橙的鹽酸潤洗兩次遷移管，然后加滿鹽酸溶液。將鎘電極打磨后在套管中加滿鹽酸溶液，安裝在遷移管下部，并注意排出氣泡。將銀電極置于頂部，遷移管垂直固 定避免震蕩，連接好線路。2）調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)流電源

5、至穩(wěn)壓，電流67mA當(dāng)界面移動到第一m界血法甜底雋子il科粗裝胃個刻度時，立刻打開秒表。此后每隔一分鐘記錄時間及對 應(yīng)的電流值。每當(dāng)界面移動至第二、第三等整數(shù)刻度時， 記下相應(yīng)的時間及對應(yīng)的電流值，直到界面移動至第五個刻度（每兩個刻度的間隔為0.1mL）。3）關(guān)閉開關(guān)，過幾分鐘后觀察界面，再打開電源，數(shù)分鐘再 觀察。試解釋該現(xiàn)象。4）用恒電流方法重復(fù)實驗 （l=3mA），只需記錄電流值及界面 遷移到整數(shù)刻度（0.1 mL , 0.2 mL0.5mL）的時間。5）實驗完成，清洗遷移管，整理實驗臺。3結(jié)果與討論3.1原始實驗數(shù)據(jù)溶液酸度為0.100mol/L。水浴溫度：25.0 C室溫：11.2

6、C室內(nèi)壓力：102.10kPa1）恒壓條件洗下測定數(shù)據(jù)：表1恒壓條件下測的數(shù)據(jù)整數(shù)刻度數(shù)時間電流（mA004.76014.58924.4434.30044.1760.1004mi n34s4.10454.05863.94973.84883.75993.675續(xù)表1恒壓條件下測的數(shù)據(jù)0.2009mi n46s3.611103.593113.52123.451133.385143.322153.2640.30015mi n43s3.224163.209173.158183.108193.059203.015212.969222.9280.40022mi n14s2.917232.886242.84

7、7252.809262.775272.740282.707292.6780.50029mi n28s2.6642）恒流測量數(shù)據(jù): 恒流條件下電流值表2恒流條件下數(shù)據(jù)的測量整數(shù)刻度數(shù)時間0.1006mi n41s0.20013mi n18s0.30019mi n57s0.40026mi n32s0.50033mi n9s3.2計算的數(shù)據(jù)、結(jié)果a.恒壓數(shù)據(jù)處理思路：1）選定幾組刻度范圍，做出電流一時間圖，利用曲線所包圍的面積求出幾組刻度范圍內(nèi)的 電荷量Q。定三組刻度范圍刻度14,25,15。利用origin 計算積分，求出三組刻度范圍所對應(yīng)時間內(nèi)的電荷量如下：表3恒壓下定區(qū)域電荷量數(shù)據(jù)點范圍電何量

8、 It ( mA- min)電荷量Q (C)1460.3993.6242560.2263.6161580.3694.8222） 求出幾組刻度范圍間的體積V。因為相鄰兩個整數(shù)刻度間的體積為O.ImL，所以上述數(shù)據(jù)點范圍間的相應(yīng)體積為:利用q,VCF和t,Q3)表4恒壓下體積比變化數(shù)據(jù)點范圍體積（mL140.3250.3150.4，求出遷移數(shù)，取幾組數(shù)據(jù)的平均值。表5恒壓下數(shù)據(jù)處理結(jié)果數(shù)據(jù)點范圍電荷量Q（ C）體積（mLq+（ C）t +t+均值143.6240.32.8950.7990.800253.6160.32.8950.801154.8220.43.860.800文獻(xiàn)值0.831。2（注：

9、此文獻(xiàn)值為鹽酸濃度為0.100mol/L下氫離子的遷移數(shù)，此處取為近似參考值）相對誤差實驗值 文獻(xiàn)值文獻(xiàn)值b.恒流數(shù)據(jù)處理思路：表6電流恒定時的數(shù)據(jù)序號123456刻度/ mL00.1000.2000.3000.4000.500時間06mi n41s13mi n18s19mi n57s26mi n32s33mi n9s電流值/ mA3.0033.0023.0023.0023.0033.003（2）電流恒定：分別為電流恒定條件下的電流-時間曲線和積分曲線。3-0S -3.04 -三；：I2 fid -2J2 -<0汕 曲 氓 ZE 12”40tmin圖3恒流時電流波動0J 02OK?SCO

10、 UOC 130D 1BW J1QD1/ S圖4恒流下電量-t積分曲線從積分曲線圖中可以讀出第1、2、4、5整刻度點處（取0.1 mL刻度為第一刻度）的電量值，分別為 1563.61 mC、3091.23 mC、6158.27 mC、7701.50 mV，列出表 4表7恒流下定區(qū)域電荷量刻度區(qū)段體積/ mL時間/S電何量/ mC140.30011494594.66250.30011634610.27150.40015356137.89表8恒壓下數(shù)據(jù)處理結(jié)果數(shù)據(jù)點范圍電荷量Q（ C）體積（mLq+ (C)t +t+均值143.5940.32.8950.8060.808253.5760.32.89

11、50.810154.7800.43.860.808相對誤差實驗值 文獻(xiàn)值文獻(xiàn)值3.3討論分析查閱文獻(xiàn)得，25C時，H+濃度為0.1 mol/L 時，氫離子的遷移數(shù)為0.831，實驗數(shù)據(jù)的處理結(jié)果分別為 0.800和0.808，偏差分別為 3.73%與 2.77%，兩次結(jié)果均偏小，但誤差不 是很大。實驗中觀察到管內(nèi)出現(xiàn)界面，界面上部分溶液為紅色，下部呈無色。并且界面隨著反應(yīng) 的不斷進(jìn)行而逐漸上移隨著電解反應(yīng)的進(jìn)行，界面不斷上移，且在Ag電極表面，不斷有氣泡產(chǎn)生，進(jìn)入到大氣中。關(guān)閉電源后，發(fā)現(xiàn)原有的清晰界面逐漸表模糊，但是再次打開電源后，幾分鐘內(nèi)，界面 重新出現(xiàn)且變清晰，并繼續(xù)上移。這是因為關(guān)閉電

12、源后，外電場不再給體系施加作用，導(dǎo)致H+逐漸擴散至界面以下， 使界面模糊。當(dāng)又打開電源后，外加電場重新作用，使Hf向上移動，從而重新產(chǎn)生清晰界面。實驗中，將Ag電極置于上端而 Cd電極置于下端，這是因為在反應(yīng)的過程中會在Ag電極上不斷產(chǎn)生氫氣，若將 Ag電極置于下端，產(chǎn)生的氣泡將從整個裝置中流過，將引起氫離 子的濃度波動，破壞實驗整體的穩(wěn)定性。3.4誤差分析兩種方法的測量均存在的一個問題就是對是否到達(dá)整數(shù)刻度的判斷。由于刻度線存在一定的寬度，讀數(shù)時需保證每次液面均提升到同一位置后再記錄，否則可能由于確定是否達(dá)到整數(shù)刻度的標(biāo)準(zhǔn)不同，造成記錄上的誤差。還有就是儀器內(nèi)部的潤洗、電極的打磨等，都會對實

13、驗結(jié)果造成一定的誤差。對于恒壓測量，主要誤差可能出現(xiàn)在電流示數(shù)的讀取。 在開始計時初期，由于電流下降 較快，萬用表的示數(shù)變化比較快，可能在記錄時，在較短的時間內(nèi)先后觀測到兩個值， 從而在取舍時發(fā)生一定的錯誤。對于恒流測量，雖然電流出現(xiàn)過一定的波動，但其波動僅為0.001mA,影響不大，不過由于數(shù)據(jù)點的數(shù)量很少，所以可能由于數(shù)據(jù)過少而使最后的結(jié)果并不可靠。4結(jié)論25 C條件下，在氫離子為 1mol/L的情況下，恒壓條件下測得的氫離子遷移數(shù)為0.800 ,恒流條件下測得的氫離子的遷移數(shù)為0.808。5參考文獻(xiàn)1 賀德華，麻英，張連慶.基礎(chǔ)物理化學(xué)實驗.北京：高等教育出版社，2008:76-80.2

14、 朱文濤，基礎(chǔ)物理化學(xué)下冊，北京，清華大學(xué)出版社，2011.116附錄思考題1. 為什么在遷移過程中會得到一個穩(wěn)定界面？為什么界面移動速率就是J離子移動速率？答：Cd +的淌度（U）較小，而“和Cd2+遷移速率相等，所以 CdCb溶液中電位梯度是很大 的。因此，若擴散至CdCl2溶液中，則它就不僅比 CcT遷移的快，而且比界面上的 遷移 的也要快，能返回 HCI層，同樣若CcT向上擴散至HCI溶液中也會很快返回至界面以下，這 樣界面將保持清晰?？偟倪^程類似于負(fù)反饋。2. 實驗過程中電流值為什么會逐漸減??？答：因為實驗中采取的是穩(wěn)壓的方式，隨著電解的進(jìn)行，溶液中屮濃度越來越小，而CcT的濃度則越來越大，CcT的淌度小，即相當(dāng)于電阻不斷增大， 在等電壓的情況下，由I=U/R 可得，電流值不斷減小。3. 如何求得C離子的遷移