實(shí)驗(yàn)11：希托夫法測(cè)定離子遷移數(shù)實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)11希托夫法測(cè)定溶液中

離子的遷移數(shù)臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)組2024-3-5一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1．掌握希托夫法測(cè)定電解質(zhì)溶液中離子遷移數(shù)的基本原理和操作方法。2.明確測(cè)定離子遷移數(shù)時(shí)與哪些因素有關(guān),并了解遷移數(shù)的意義。3．測(cè)定CuSO4溶液中銅離子和硫酸根離子的的遷移數(shù)。二、基本原理

通電于電解質(zhì)溶液之后，溶液中承擔(dān)導(dǎo)電任務(wù)的陰、陽(yáng)離子分別向陰、陽(yáng)兩極移動(dòng);兩電極上發(fā)生氧化和還原反應(yīng);相應(yīng)的兩極區(qū)濃度發(fā)生了變化;根據(jù)法拉第定律，電極上發(fā)生物質(zhì)量的變化與通入電量成正比;通過溶液的電量等于正負(fù)離子遷移電量之和;離子的遷移數(shù)就是該離子搬運(yùn)的電量與通過的總電量之比。2.1希托夫法測(cè)定離子遷移數(shù)的原理在Hittorf遷移管中，裝入已知濃度的電解質(zhì)溶液，接通穩(wěn)壓直流電源，這時(shí)電極上有反應(yīng)發(fā)生，正、負(fù)離子分別向陰、陽(yáng)兩極遷移。通電一段時(shí)間后，電極附近溶液濃度發(fā)生變化，小心放出陰極部（或陽(yáng)極部）溶液，稱重并進(jìn)行化學(xué)分析，根據(jù)輸入的電量和電極區(qū)濃度的變化，就可計(jì)算離子的遷移數(shù)。圖1溶液里面離子遷移示意圖陽(yáng)極區(qū)

n+(遷出陽(yáng)極區(qū))＋n+(電解后)＝n+(電解前)＋n+(陽(yáng)極反應(yīng))陰極區(qū)

n+(遷入陰極區(qū))＋n+(電解前)＝n+(電解后)＋n+(陰極反應(yīng))

圖2.1

希托夫法測(cè)定遷移數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置圖2.2銅為電極電解稀硫酸銅溶液電解后，陰極附近銅離子的濃度變化有兩種原因引起遷入電極上的還原反應(yīng)以物料平衡計(jì)算出離子遷移數(shù)圖2.2希托夫法測(cè)定遷移數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置圖以某一電極區(qū)的某一物質(zhì)為基準(zhǔn)，進(jìn)行物料恒算，確定n(起始)n(終了)n(電解)n(遷移)的關(guān)系

通過電極的電子的物質(zhì)的量，由庫(kù)侖計(jì)中稱重陰極質(zhì)量的增加而得n(電解)。n(起始)n(終了)通電前、后同等質(zhì)量溶劑中所含的MA的物質(zhì)的量可在溶液中間區(qū)濃度不變的條件下，分析通電前原始溶液及通電后的陽(yáng)極區(qū)溶液的濃度得到陰陽(yáng)離子遷移數(shù)即可由此求出希托夫法測(cè)定離子的遷移數(shù)至少包括兩個(gè)假定：（1）電的輸送者只是電解質(zhì)的離子，溶劑水不導(dǎo)電，這一點(diǎn)與實(shí)際情況接近。（2）不考慮離子水化現(xiàn)象。希托夫法的原理較簡(jiǎn)單，但實(shí)驗(yàn)中由于對(duì)流、擴(kuò)散、外界振動(dòng)及水分子隨離子的遷移等因素的影響，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性往往較差。2.3影響離子遷移數(shù)因素一般僅含一種電解質(zhì)的溶液，濃度改變使離子間的作用強(qiáng)度改變，離子遷移數(shù)也發(fā)生變化。如在較濃的溶液中，離子相互引力較大，正負(fù)離子的遷移速度均減慢。若正負(fù)離子的價(jià)數(shù)相同，則所受的影響也大致相同，遷移數(shù)的變化不大。若價(jià)數(shù)不同，則價(jià)數(shù)大的離子的遷移數(shù)減小比較明顯。溫度改變對(duì)離子的遷移也有影響。一般當(dāng)溫度升高時(shí)，正負(fù)離子的速率均加快，兩者的遷移數(shù)趨于相等。而外加電壓大小一般不影響遷移數(shù)。2.4遷移數(shù)測(cè)定常用方法-------界面移動(dòng)法界面移動(dòng)法是由測(cè)定離子的運(yùn)動(dòng)速度以確定離子遷移數(shù)的一種實(shí)驗(yàn)方法。例如用一種指示離子，造成一個(gè)界面ab，觀察到清晰界面的緩緩移動(dòng),若通電nF

電量后界面移動(dòng)到a'b'，則可通過溶液的濃度C及ab

與a'b'間的溶液體積以計(jì)算C+離子的遷移數(shù)。三、儀器與試劑

HTF-7B離子遷移數(shù)測(cè)定裝置遷移數(shù)管1支；銅電量計(jì)1套；

直流穩(wěn)壓電源1臺(tái)；移液管2支；滴定管1支；KI溶液(10%)淀粉指示劑(0.5%)硫代硫酸鈉溶液（0.0500mol.L-1）HAc溶液(1mol.L-1)HNO3（A.R.）硫酸銅溶液（0.05mol.L-1）１.Ｈb遷移管5.直流電流表9.電極固定板2.陽(yáng)極6.輸出電流調(diào)節(jié)旋扭10.陰極銅片3.陰極7.陰極插座11.陽(yáng)極銅片4.庫(kù)侖計(jì)8.陽(yáng)極插座四、實(shí)驗(yàn)步驟

4.1準(zhǔn)備工作清洗遷移數(shù)管，注意活塞是否漏水。用少量硫酸銅溶液（0.5mol／L）淌洗兩次，將該溶液充滿遷移數(shù)管。將庫(kù)侖計(jì)中陰極銅片取下，用稀硝酸浸洗，（先用細(xì)砂紙磨光，除去表面氧化層）再用蒸餾水洗凈，用乙醇淋洗并吹干，在分析天平上稱重（W1），裝入庫(kù)侖計(jì)中。在庫(kù)侖計(jì)中裝入大于1／2的飽和硫酸銅溶液。按圖連接好遷移管，離子遷移數(shù)測(cè)定儀和庫(kù)侖計(jì)（注意陰、陽(yáng)極位置切勿接錯(cuò)）。4.2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電解過程用銅電量計(jì)測(cè)定通過溶液的電量。接通電源，在電鍍液電流密度為10mA/cm2的條件下電鍍30分鐘左右。取出銅片用蒸餾水洗凈，再浸入乙醇溶液中片刻，取出用電吹風(fēng)吹干并稱其重量（W1）。接通電源，按下“穩(wěn)流”按鍵，“穩(wěn)流mA”指示燈亮，調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度為10mA，連續(xù)通電60min后切斷電源。停止通電后，以免擴(kuò)散，迅速取陰、陽(yáng)極區(qū)溶液以備稱重、滴定。取出陰極銅片用蒸餾水洗凈，再浸入乙醇溶液中片刻，取出用吹風(fēng)吹干并稱其重量（W2）。4.3定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果將遷移管中的溶液分為“陽(yáng)極區(qū)”，“中間區(qū)”，“陰極區(qū)”三份，并分別緩慢將“陽(yáng)極區(qū)”或“陰極區(qū)”“中間區(qū)”溶液放入干燥的錐形瓶中，再稱其各瓶的重量，然后計(jì)算各溶液的凈重。取陰極區(qū)或陽(yáng)極區(qū)和中間區(qū)溶液10毫升放入已稱量的錐形瓶中再稱其各瓶的重量，然后計(jì)算各溶液的凈重。中間區(qū)滴定分析其濃度，檢查中間液濃度是否變化。

滴定。各瓶中加入10%KI溶液10mL，1mol.L-1乙酸溶液10mL，用標(biāo)準(zhǔn)硫代硫酸鈉溶液滴定，滴至淡黃色，加入1mL0.5％淀粉，在滴至藍(lán)紫色消失。注意，滴定時(shí)一定要仔細(xì)，數(shù)值要準(zhǔn)確，因?yàn)殡娊馇昂鬂舛茸兓苄　?.4結(jié)束試驗(yàn)記錄并處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)清洗遷移數(shù)管及其他儀器，將錐形瓶洗凈后放入烘箱干燥，將實(shí)驗(yàn)儀器歸位附1：離子遷移數(shù)測(cè)定儀使用說明將“輸出調(diào)節(jié)”旋扭反時(shí)針旋到底?！拜敵觥倍思t色為正極，黑色為負(fù)極。穩(wěn)定電流：按下“穩(wěn)流”按鍵，“穩(wěn)流mA”指示燈亮，此時(shí)儀器工作在穩(wěn)流狀態(tài)。待測(cè)定裝置全部連接好后，按下電源開關(guān)，數(shù)顯表全亮。順時(shí)針緩慢調(diào)節(jié)“輸出調(diào)節(jié)”旋扭至所需的實(shí)驗(yàn)電流值即可。附2：庫(kù)侖計(jì)使用說明庫(kù)侖計(jì)中共有三片銅片，兩邊銅片為陽(yáng)極，中間銅片為陰極。陽(yáng)極銅片固定在電極固定板上，不可拆下，陰極銅片由陰極插座固定。拆下或固定陰極銅片時(shí)只需反時(shí)針旋松或順時(shí)針旋緊陰極插座即可。電極固定板上有兩個(gè)陽(yáng)極插座，實(shí)驗(yàn)中可任意插入其中一個(gè)插座。4.5【注意事項(xiàng)】1.遷移管使用前應(yīng)檢查是否漏水2.通電過程中，實(shí)驗(yàn)過程中凡是能引起溶液擴(kuò)散，攪動(dòng)等因素必須避免。遷移管應(yīng)避免振動(dòng)3.中間管與陰極管、陽(yáng)極管連接處不留氣泡4.本實(shí)驗(yàn)由銅庫(kù)侖計(jì)的增重計(jì)算電量，因此稱量及前處理都很重要，需仔細(xì)進(jìn)行。4.6數(shù)據(jù)記錄室溫

；大氣壓

；陰極重量：電解前

；電解后

；計(jì)算結(jié)果t(銅離子)

；t(硫酸根離子)

；溶液濃度錐形瓶重量錐形瓶＋溶液重量V硫代硫酸鈉陰極區(qū)陽(yáng)極區(qū)4.7數(shù)據(jù)處理（1）從“中間區(qū)”析結(jié)果求出每克水中的硫酸銅的克數(shù)(V*M)【（Na2S2O3）*159.6】/1000=CuSO4的克數(shù)溶液克數(shù)-CuSO4的克數(shù)=水的克數(shù)CuSO4的克數(shù)/水的克數(shù)=CuSO4（克）/H2O（克）4.8數(shù)據(jù)處理（2）通過“陽(yáng)極區(qū)”溶液的滴定結(jié)果，計(jì)算出通電后的“陽(yáng)極區(qū)”溶液中每克水中的硫酸銅的克數(shù)通過“陽(yáng)極區(qū)”和遷移管內(nèi)總?cè)芤旱捏w積或重量，計(jì)算出n后，n前由銅片的增重，計(jì)算出電量n