離子遷移數(shù)的測(cè)定試驗(yàn)報(bào)告

1、離子遷移數(shù)的測(cè)定一一界面法姓名：張冶學(xué)號(hào)：班級(jí)：化21同組實(shí)驗(yàn)者：努爾艾力麥麥提實(shí)驗(yàn)日期：2014年12月4日提交報(bào)告日期：2014年12月7日實(shí)驗(yàn)助教：王溢磊1引言實(shí)驗(yàn)?zāi)康?采用界面法測(cè)定 H+離子的遷移數(shù)。.掌握測(cè)定離子遷移數(shù)的基本原理與方法。實(shí)驗(yàn)原理川當(dāng)電流通過(guò)電解池溶液時(shí)，電極上發(fā)生化學(xué)變化， 溶液中陽(yáng)離子與陰離子分別向陰極和陽(yáng)極遷移。若兩種離子傳遞的電荷量分別為q+和q-,通過(guò)的總電荷量為則陰、陽(yáng)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(yáng)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)增加；對(duì)只含一種

2、電解質(zhì)的溶液， 濃度的改變使離子間引力場(chǎng)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(shí)，和1+差別減小。實(shí)驗(yàn)中采用界面法，以鎘離子作為指示離子，測(cè)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(guò)每個(gè)靜止的截面時(shí)，t+Q當(dāng)量的H上行，t-Q當(dāng)量的Cl-通過(guò)界面下移。假定在管的下部某處存在 一個(gè)界面，界面以下沒(méi)有 H+而被Cd2+取代，此界面將隨 H+的上移而移動(dòng)，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+向上遷移的平均速率等于界面

3、上移速率。在某通電時(shí)間 t內(nèi)，界面掃過(guò)體積 V, H+輸送電荷數(shù)為該體積中 H+帶電總數(shù)，即屈i工建管中由電蒞梯嘴式中：C為H+的濃度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，電荷量以庫(kù) 侖(C)計(jì)。要想使界面保持清晰，須使界面上、下的電解質(zhì)不相混合，這可通過(guò)選擇合適的指示離子在通電情況下達(dá)到，C/就符合這個(gè)要求。C的淌度(U)較小，有通電時(shí)，H+上行Cl-下移，Cd在Cd電極上氧化并經(jīng)入溶液中生成 CdCl2,逐漸頂替HCl,在管內(nèi)形成界面。由于溶液呈電中性，任意截 面都不會(huì)中斷傳遞電流，H+遷移走后C緊隨其后且兩者遷移速率相等, 則說(shuō)明CdCl2溶液中電位梯度較大（如圖1）,導(dǎo)致H+難以擴(kuò)散至下層，而 Ccf+也

4、難以擴(kuò)散到界面以上，可保持界面清晰。2實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)藥品、儀器型號(hào)及測(cè)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(wàn)用電表，HCl-甲基橙溶液（HCl濃度為0.100 mol/L）,秒 表。實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)室中為 102.10 kPa ,11.2 C。實(shí)驗(yàn)操作步驟及方法要點(diǎn)m界面法甜定禹子江和班贊曾1）用帶有甲基橙的鹽酸潤(rùn)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)流電源至穩(wěn)壓，

5、電流67mA當(dāng)界面移動(dòng)到第一個(gè)刻度時(shí)，立刻打開(kāi)秒表。此后每隔一分鐘記錄時(shí)間及對(duì) 應(yīng)的電流值。每當(dāng)界面移動(dòng)至第二、第三等整數(shù)刻度時(shí)， 記下相應(yīng)的時(shí)間及對(duì)應(yīng)的電流值，直到界面移動(dòng)至第五個(gè)刻度（每?jī)蓚€(gè)刻度的間隔為0.1mL）。3）關(guān)閉開(kāi)關(guān)，過(guò)幾分鐘后觀察界面，再打開(kāi)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(shí)驗(yàn) （I=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(shí)間。5）實(shí)驗(yàn)完成，清洗遷移管，整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)。3結(jié)果與討論原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)溶液酸度為 0.100mol/L 。水浴溫度：25.0 C室溫：11.2 C室內(nèi)壓力：102.10kPa1）恒壓

6、條件洗下測(cè)定數(shù)據(jù)：表1恒壓條件下測(cè)的數(shù)據(jù)整數(shù)刻度數(shù)時(shí)間電流（mA004.76014.58924.4434.30044.1760.1004min34s4.10454.05863.94973.84883.75993.675續(xù)表1恒壓條件下測(cè)的數(shù)據(jù)0.2009min46s3.611103.593113.52123.451133.385143.322153.2640.30015min43s3.224163.209173.158183.108193.059203.015212.969222.9280.40022min14s2.917232.886242.847252.809262.775272.7402

7、82.707292.6780.50029min28s2.6642）恒流測(cè)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(cè)量整數(shù)刻度數(shù)時(shí)間0.1006min41s0.20013min18s0.30019min57s0.40026min32s0.50033min9s計(jì)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(shí)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。4 -巨t (min)圖1恒壓下I-t曲線時(shí)間31與圖2恒壓下電量-t積分曲線定三組刻度范圍刻度14,25,15 。利用origin計(jì)算積分，求出三組刻度范圍所對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的電荷量如下：表3恒壓下定區(qū)域電荷量數(shù)

8、據(jù)點(diǎn)范圍電何重 It （mA。min）電荷量Q (C)1-460.3993.6242-560.2263.6161-580.3694.822因?yàn)橄噜弮蓚€(gè)整數(shù)刻度間的體積為0.1mL,所以上述數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍間的相應(yīng)體積為:表4恒壓下體積比變化數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍體積(mD140.3250.3150.4利用q + =VCF和t+=，求出遷移數(shù)，取幾組數(shù)據(jù)的平均值。Q表5恒壓下數(shù)據(jù)處理結(jié)果數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍電荷量Q (C)體積(mDq+ (C)t +t+均值143.6240.32.8950.799253.6160.32.8950.8010.800154.8220.43.860.800文獻(xiàn)值0.831 。2(注：此文獻(xiàn)值為鹽

9、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(duì)誤差2)求出幾組刻度范圍間的體積V。3)實(shí)驗(yàn)值 文獻(xiàn)值3.C4文獻(xiàn)值b.恒流數(shù)據(jù)處理思路:表6電流恒定時(shí)的數(shù)據(jù)序號(hào)123456刻度/ mL00.1000.2000.3000.4000.500時(shí)間06min41s13min18s19min57s26min32s33min9s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(shí)間曲線和積分曲線。1.91 -* 縣 111。工。工品ZE 123640tmin圖3恒流時(shí)電流波動(dòng)T_1圖4恒流下電量-t積分曲線從積分

10、曲線圖中可以讀出第1、2、4、5整刻度點(diǎn)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(shí)間/ s電何里/ 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(diǎn)范圍電荷量Q （C）體積（mDq+ (C)t +t+均值143.5940.32.8950.806253.5760.32.8950.8100.808154.7800.43.860.808相對(duì)誤差實(shí)驗(yàn)值 文獻(xiàn)值

11、文獻(xiàn)值討論分析查閱文獻(xiàn)得，25c時(shí)，H+濃度為0.1 mol/L 時(shí)，氫離子的遷移數(shù)為 0.831 ,實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(wú)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(kāi)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?yàn)殛P(guān)閉電源后，外電場(chǎng)不再給體系施加作用，導(dǎo)致H+逐漸擴(kuò)散至界面以下， 使界面模糊

12、。當(dāng)又打開(kāi)電源后，外加電場(chǎng)重新作用，使H+向上移動(dòng)，從而重新產(chǎn)生清晰界面。實(shí)驗(yàn)中，將Ag電極置于上端而 Cd電極置于下端，這是因?yàn)樵诜磻?yīng)的過(guò)程中會(huì)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(gè)裝置中流過(guò)，將引起氫離 子的濃度波動(dòng)，破壞實(shí)驗(yàn)整體的穩(wěn)定性。誤差分析兩種方法的測(cè)量均存在的一個(gè)問(wèn)題就是對(duì)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(shí)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(rùn)洗、電極的打磨等，都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的誤差。對(duì)于恒壓測(cè)量，主要誤差可能出現(xiàn)在電流示數(shù)的讀取。 在開(kāi)始

13、計(jì)時(shí)初期，由于電流下降 較快，萬(wàn)用表的示數(shù)變化比較快，可能在記錄時(shí)， 在較短的時(shí)間內(nèi)先后觀測(cè)到兩個(gè)值， 從而 在取舍時(shí)發(fā)生一定的錯(cuò)誤。對(duì)于恒流測(cè)量，雖然電流出現(xiàn)過(guò)一定的波動(dòng)，但其波動(dòng)僅為0.001mA,影響不大，不過(guò)由于數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量很少，所以可能由于數(shù)據(jù)過(guò)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(cè)得的氫離子遷移數(shù)為0.800，恒流條件下測(cè)得的氫離子的遷移數(shù)為0.808。5參考文獻(xiàn)賀德華，麻英，張連慶.基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京：高等教育出版社，2008:76-80.朱文濤，基礎(chǔ)物理化學(xué)下冊(cè)，北京，清華大學(xué)出版社， 2011.116附錄思考題.為什么

14、在遷移過(guò)程中會(huì)得到一個(gè)穩(wěn)定界面？為什么界面移動(dòng)速率就是h+離子移動(dòng)速率？答：Cc2+的淌度（U）較小，而H+和Cd2+遷移速率相等，所以 CdCl2溶液中電位梯度是很大 的。因此，若 可擴(kuò)散至CdCl2溶液中，則它就不僅比 Cc2+遷移的快，而且比界面上的 可遷移 的也要快，能返回 HCl層，同樣若Cc2+向上擴(kuò)散至HCl溶液中也會(huì)很快返回至界面以下，這 樣界面將保持清晰。總的過(guò)程類似于負(fù)反饋。.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流值為什么會(huì)逐漸減小？答：因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中采取的是穩(wěn)壓的方式，隨著電解的進(jìn)行，溶液中4濃度越來(lái)越小，而Cc2+的濃度則越來(lái)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。.如何求得C離子的遷移數(shù)？