電橋法測定弱電解質(zhì)的電離常數(shù)

1、電橋法測定弱電解質(zhì)的電離常數(shù)【教學(xué)目的】1.掌握電橋法測量電導(dǎo)的原理和方法，初步掌握示波器的使用。2.測定電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)并計算弱電解質(zhì)的電離常數(shù)?！窘虒W(xué)重點】通過用交流電橋測定氯化鉀和醋酸溶液的電導(dǎo)，使學(xué)生掌握測量電導(dǎo)的原理和方法【教學(xué)內(nèi)容】一、實驗原理醋酸在溶液中電離達到平衡時，其電離平衡常數(shù)Kc與濃度c和電離度a有以下關(guān)系（1）在一定溫度下Kc是一個常數(shù)，因此可以通過測定醋酸在不同濃度下的電離度，代入（1）式計算得到Kc值。醋酸溶液的電離度可用電導(dǎo)法來測定，圖142是用來測定溶液電導(dǎo)的電導(dǎo)池。電導(dǎo)的物理意義是：當(dāng)導(dǎo)體兩端的電勢差為1伏特時所通過的電流強度。亦即電導(dǎo)電流強度/電勢差。因此電

2、導(dǎo)是電阻的倒數(shù)，在電導(dǎo)池中，電導(dǎo)的大小與兩極之間的距離l成反比，與電極的面積A成正比。（2）k稱為電導(dǎo)率或比電導(dǎo)，即l為1m，A為1m2時溶液的電導(dǎo)，因此電導(dǎo)率這個量值與電導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)無關(guān)。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率不僅與溫度有關(guān)，而且還與溶液的濃度有關(guān)，因此通常用摩爾電導(dǎo)率這個量值來衡量電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電本領(lǐng)。摩爾電導(dǎo)率的定義如下：含有一摩爾電解質(zhì)的溶液，全部置于相距為1m的兩個電極之間，這時所具有的電導(dǎo)稱為摩爾電導(dǎo)率，摩爾電導(dǎo)率與電導(dǎo)率之間有如下的關(guān)系。（3）（3）式中c為溶液中物質(zhì)的量濃度，單位為mol·m-3。根據(jù)電離學(xué)說，弱電解質(zhì)的電離度a隨溶液的稀釋而增大，當(dāng)溶液無限稀釋時，則弱電解

3、質(zhì)全部電離a1，在一定溫度下溶液的摩爾電導(dǎo)率與離子的真實濃度成正比，因而也與電離度a成正比，所以弱電解質(zhì)的電離度a應(yīng)等于溶液在量濃度c時的摩爾電導(dǎo)率m和溶液在無限稀釋時摩爾電導(dǎo)率之比，即：（4）將（4）式代入（1）式得：（5）Kc值即可通過（5）式由實驗測得。由電導(dǎo)的物理概念可知：電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)，對電導(dǎo)的測量也是對電阻的測量，但測定電解質(zhì)溶液的電阻有其特殊性，當(dāng)直流電流通過電極時會引起電極的極化，因此必須采用較高頻率的交流電，其頻率一般應(yīng)取在1000Hz。另外，構(gòu)成電導(dǎo)池的兩個電極應(yīng)是惰性的，一般是鉑電極，以保證電極與溶液之間不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。精密的電阻測量通常均采用電橋法，其精度一般可達0

4、.0001以上。它的原理如圖1所示。圖1交流電橋法測量原理圖S為高頻（1000Hz/S）交流電源，AB為一均勻且?guī)в锌潭鹊幕€電阻，G為示零器（示波器或耳機），R3為可變電阻，Rx為電導(dǎo)池兩極間的電阻。調(diào)節(jié)電阻R3或移動接觸點D，使CD兩點間電勢差等于零，此時CD間沒有電流，即（6）所以I1R1I2R3（7）I1R2I2Rx（8）（7）式除以（8）式得：（9）由（9）式可得Gx值，但還必須換算成電導(dǎo)率k，由k可通過（3）式求得摩爾電導(dǎo)率m。由（2）式可知（10）（10）式中kcell稱為電導(dǎo)池常數(shù)，它是電導(dǎo)池兩個電極間的距離與電極表面積之比。為了防止極化，通常將鉑電極鍍上一層鉑黑，因此真實面積

5、A無法直接測量，通?？蓪⒁阎妼?dǎo)率k的電解質(zhì)溶液（一般用的是標(biāo)準(zhǔn)的0.01000mol·dm-3KC1溶液）注入電導(dǎo)池中，然后測定其電導(dǎo)G即可以（10）式算得電導(dǎo)池常數(shù)kcell。當(dāng)電導(dǎo)池常數(shù)kcell確定后，就可用該電導(dǎo)池測定某一濃度c的醋酸溶液的電導(dǎo)，再用（10）式算出k，加c為已知，則c、k值代入（3）式算得該濃度下醋酸溶液的摩爾電導(dǎo)率，因此只要知道無限稀釋時醋酸溶液的摩爾電導(dǎo)率就可以應(yīng)用（5）式最后算得醋酸的電離常數(shù)中Kc。在這里的求測是一個重要問題，對于強電解質(zhì)溶液可測定其在不同濃度下摩爾電導(dǎo)率再外推而求得，但對弱電解質(zhì)溶液則不能用外推法，通常是將該弱電解質(zhì)正、負(fù)兩種離子的

6、無限稀釋摩爾電導(dǎo)率加和計算而得（），不同溫度下醋酸的值見下表不同溫度下醋酸的(S·m2·mol-1)溫度K298.2303.2308.2313.2×1023.9084.1984.4894.779二、儀器與試劑（一）儀器滑線電阻器1個旋轉(zhuǎn)電阻箱1個低頻信號發(fā)生器1個示波器1臺電導(dǎo)池1個恒溫槽1套（二）試劑KC1標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01000mol·dm-3） HAc溶液（0.1000mol·dm-3）HAc溶液（0.0500mol·dm-3）HAc溶液（0.0250mol·dm-3）三、實驗步驟1.調(diào)節(jié)恒溫槽溫度為298.2K

7、77;±0.1K）或308.2K（±0.1K）。2.按圖143接好交流電橋線路，頻率選在1000Hz，將示波器內(nèi)橋平衡調(diào)好。3.測定定電導(dǎo)池常數(shù)Kcell傾去電導(dǎo)池中蒸餾水（電導(dǎo)池不使用時，應(yīng)把它浸在蒸餾水中，以免干燥后難以清除被鉑黑所吸附的雜質(zhì)，并且避免干燥的電極浸入溶液時，表面不易完全浸潤，表面附著小氣泡，使電極表面積發(fā)生改變，影響測量結(jié)果），用少量0.0100 mol·dm-3KC1溶液洗滌電導(dǎo)池和鉑電極，一般三次，然后倒入0.0100 mol·dm-3的KC1溶液，使液面超過電極12cm，再將電導(dǎo)池置于所需溫度的恒溫槽中，恒溫510min，進行測

8、量，將滑線電阻器調(diào)至中間（使R1，R2兩個橋臂相等），調(diào)整R3至示波器顯示屏上出現(xiàn)一條直線（未調(diào)R3以前示波器上顯示玻弦波形）記下R3值，重復(fù)測定3次。4.測定醋酸溶液的電導(dǎo)（濃度由小至大測定）傾去電導(dǎo)池中的KC1溶液，將電導(dǎo)池和鉑電極用蒸餾水洗滌。再用少量的被測的醋酸溶液洗滌三次，然后注入被測的醋酸溶液，使溶液超過電極12cm，再將電導(dǎo)池置于所調(diào)好溫度的恒溫槽中，恒溫510min，同測電導(dǎo)池常數(shù)法一樣，記下R3值，同法測定另兩種濃度醋酸溶液的電導(dǎo)。5.醋酸溶液的電導(dǎo)測量完畢后，再次測定電池常數(shù)以鑒定實驗過程中電導(dǎo)池常數(shù)有無變化。四、數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理1.電導(dǎo)池常數(shù)Kcell0.0100 mo

9、l·dm-3標(biāo)準(zhǔn)KC1溶液的電導(dǎo)率k=0.1413S·m-1（在298.2K及p0時），不同溫度下的電導(dǎo)率k見下表。不同溫度下0.0100 mol·dm-3標(biāo)準(zhǔn)KC1溶液的電導(dǎo)率k(S·m-1)溫度K293.2298.2303.2308.2313.2k0.12780.14130.1552由（10）式計算得Kcell，并填入下表： 恒溫槽溫度： 實驗次數(shù)R3（）G（S）Kcell(m-1)測量值平均值實驗開始123實驗結(jié)束123Kcell 平均值=68.0999 m-12.醋酸溶液的電離常數(shù)Kc將原始數(shù)據(jù)及處理結(jié)果填入下表：C(mol·dm-3)

10、Rx()()G(S)k(S·m-1)m (S·m2·mol-1)aKc0.02500.05000.1000實驗測定電離平衡常數(shù)Kc平均值= 實驗溫度：T= 附：醋酸電離平衡常數(shù)的文獻值t/Kc×105t/Kc×105t/Kc×10551.6980271.75689311.74932151.7460281.75548321.74661251.7540291.75376331.74357261.75793301.75170341.74022【教學(xué)討論】1使用一定頻率的交流電源的有關(guān)問題在電導(dǎo)測量中，電源不能直接使用直流電源，因為直流電會引

11、起溶質(zhì)在電極上電解而產(chǎn)生一系列的極化作用，使溶液的實際電阻發(fā)生變化，從而影響測量的精度。在電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)測定中必須使用交流電源，電源的電壓一般不超過10V，甚至可低到0.5V。這是為了防止電導(dǎo)池中產(chǎn)生熱效應(yīng)而使溫度發(fā)生改變以及減少電極的極化。同時交流電的頻率一般為10004000Hz，其原因如下：由于電導(dǎo)池中的兩個電極可構(gòu)成一平板電容器，故在測量中整個電極系統(tǒng)實際上是一個比較復(fù)雜的電阻與電容串、并聯(lián)的系統(tǒng)。C1、C1 靜電容    C2 電解質(zhì)電容    R1、R1 電極電阻    R2、R2 極化電阻

12、      R3 電解質(zhì)電阻電導(dǎo)池的實際阻抗是 ZRj                           （）   式中： R 各個電阻之和    C 回路中的總電容值      

13、;    電源的頻率因此由于電容的實際存在，不僅改變了兩個極片間的電阻值，而且會造成相移，嚴(yán)重地影響測量結(jié)果。由公式（）可見，交流電頻率愈高，則電容項的影響愈小，電路的特性才基本取決于電極間溶液的電阻。為了實現(xiàn)這一目的可從兩個方面采取措施。其一是加大溶液的電阻。其方法是改變極板間的距離及電極面積，但此法有一定的范圍限制。其二是加大電源的頻率，越高，電容項的影響越小。但交流電的頻率不能過高，這是因為交流電通過一段導(dǎo)體時，通常會產(chǎn)生漏電，其原因可以是由電路各部分之間及電路與大地之間會產(chǎn)生電容耦合，也可以是電路間的互感及外界磁場的耦合，這種漏電將隨交流電的頻率增高而加劇

14、。交流電橋的平衡條件是：電橋的電路對地?zé)o漏電；電橋各部分之間無漏電；電橋各支線間無互感。因此交流電的頻率過高時會對儀器的制造、安裝、調(diào)整及溶液電阻的測量帶來困難。實驗所使用的交流電頻率高低可根據(jù)以下方法來確定，即：在達到某一頻率后，儀表的讀數(shù)不再因頻率的增加而有顯著變化時，就可選定這一頻率作為電導(dǎo)池的工作頻率。一般溶液濃度較低或溶液電阻較小時，頻率可選擇低一些，溶液濃度較大或電阻較大時，則頻率就要高一些。為防止交流電橋漏電，除了控制交流電的頻率外，還需要合理安排電橋元件的位置，使它們相互之間以及與外界磁場源之間保持一定距離，以減少相互間的耦合。同時應(yīng)對元件采取完善的電磁屏蔽（當(dāng)交流電頻率不過高

15、時可省去）和接地措施，使各種電磁耦合對測量的影響減至最小程度。2關(guān)于電導(dǎo)電極的選擇問題待測溶液的電阻值對測量精度影響較大，電阻值不能太低但也不能過高，電阻值過高，交流電橋的不平衡信號難以檢出。一般當(dāng)交流電的頻率為10004000Hz時，溶液電阻的范圍應(yīng)在1005×105之間。為此應(yīng)正確選用不同數(shù)量級的電導(dǎo)池以滿足測量要求。G5×106 S： 因極化小，可采用光亮的260型電導(dǎo)電極R5×1061.5×101 S：可采用鉑黑260型電導(dǎo)電極R1.5×101 S5×101 S：可采用U型電導(dǎo)電極，此類電極電極面積很小，而電極間距離很大。3交流電的波形為了避免電極極化，應(yīng)采用較高頻率的交流電源。交流電的波形應(yīng)對