物化实验报告-离子迁移数的测定

离子迁移数的测定——界面法

2011011743 分1 黄浩

同组人：李奕 实验日期：2013-11-9 提交报告日期：2013-11-10

实验教师：杨忠强

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和方法

1.2 实验原理

当电流通过电解电池的电介质溶液时，两极发生化学变化，溶液中阳离子和阴离子分别向阴极与阳极迁移。假若两种离子传递的电量分别为q +和q -，通过的总电量为

Q q q +-=+

每种离子传递的电量与总电量之比，称为离子迁移数。阴、阳离子的迁移数分别为

q t Q --=

， q

t Q

++= （1） 且

1t t +-+= （2）

在包含数种阴、阳离子的混合电解质溶液中，t -和t +各为所有阴、阳离子迁移数的总和。

一般增加某种离子的浓度，则该离子传递电量的百分数增加，离子迁移数也相应增加。但对于仅含一种电解质的溶液，浓度改变使离子间的引力场改变，离子迁移数也会改变，但变化的大小与正负因不同物质而异。

温度改变，迁移数也会发生变化，一般温度升高时，t -和t +的差别减小。

测定离子迁移数，对于了解离子的性质有很重要的意义。迁移数的测定方法有界面法、希托夫法和电势法等，本实验详细介绍界面法。

利用界面移动法测迁移数的实验可分为两类:一类是使用两种指示离子，造成两个界面;另一类是只用一种指示离子，有一个界面。本实验是用后一种方法，以镉离子作为指示离子，测某浓度的盐酸溶液中氢离子的迁移数。

在一截面均匀的垂直放置的迁移管中，充满HCl 溶液，通以电流，当有电量为Q 的电

流通过每个静止的截面时，

t Q +当量的+

H 通过界面向上走，t Q -当量的Cl -通过界面往下行。假定在管的下部某处存在一个界面（aa '），在该界面以下没有H +

，而被其它的正离子（例如2Cd +

）取代，则此界面将随着H +

往上迁移而移动，界面的位置可通过界面上下溶液性质的差异而测定。例如，利用pH 值的不同指示剂显示颜色不同，测出界面。在正常条件下，界面保持清晰，界面以上的一段溶液保持均匀，H +

往上迁移的平均速率，等于界面向上移动的速率。在某通电的时间（t ）内，界面扫过的体积为V ，H +

输送电荷的数量为在该体积中H +

带电的总数，即

q VcF += （3）

式中，c 为H +

的浓度，F 为法拉第常数，电量常以库伦（C ）表示。

欲使界面保持清晰，必须使界面上、下电介质不相混合，可以通过选择合适的指示离子在通电情况下达到。CdCl 2溶液能满足这个要求，因为Cd 2+淌度（U ）较小，即

2Cd H U U ++< （4）

在图2-14-2的实验装置中，通电时，H ＋向上迁移Cl －向下迁移，在Cd 阳极上Cd 氧化，进入溶液生成CdCl 2，逐渐顶替HCl 溶液，在管中形成界面。由于溶液要保持电中性，且任一截面都不会中断传递电流，且Ｈ+迁移走后的区域，Cd 2+紧紧地跟上，离子的移动速度(v )是相等的，2Cd H v v ++=。由此可得：

2C d H

U d E

d E

U d L

d L

+

+'= （5） 结合（4）式，得：

dE dE

dL dL

'>

（6） 即在CdCl 2溶液中电位梯度是较大的，如图2-14-1所示。因此若H +因扩散作用落入CdCl 2溶液层。它就不仅比Cd 2+迁移得快，而且比界面上的H +也要快，能赶回到HCl 层。同样若任何Cd 2+进入低电位梯度的HCl 溶液，它就要减速，一直到它们重又落后于H +为止，这样界面在通电过程中保持清晰。

2 实验操作

2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图

迁移管，超级恒温水浴，Cd 电极，Ag 电极，毫安表，稳压稳流电源，HCl 溶液（0.1176mol/L ），甲基橙，秒表。

仪器型号：DYY-2C 型电泳仪，SL-1恒温槽 实验装置图如下：

2.2 实验条件

室温：15.8℃ 气压：101.69kpa 相对湿度：40%

2.3 实验操作步骤及方法要点

1.按图安装电路仪器。盐酸-甲基橙溶液已经配好，盐酸浓度为0.1176mol/L 。将超级恒温水浴温度调至25℃。用少许盐酸溶液润洗迁移管三次，而后使用“连通法”从下而上向管中加满盐酸溶液。注意：切勿使管壁粘附气泡。将两个电极打磨干净，然后将镉电极套管加满盐酸溶液，安装在迁移管的下部，安装时应堵住迁移管上部入口，并将底部气泡赶出。迁移管垂直固定避免振荡，照图连接好线路，检查无误后，再开始实验。

2.打开稳压稳流电源，选择开关搬至稳压，调节电流在6～7mA 之间。随着电解进行，阳极镉会不断溶解变为Cd 2＋

，由于H ＋

离子的迁移，出现清晰界面。一开始界面未到0刻度线时，可以不断升高电压，维持电流在6～7mA ，以加速电解当界面，当移动到第一个刻度时，立即打开秒表，此后不可再调节电压，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、第三等整数刻度的时候，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。

关闭电源开关，过数分钟后，观察界面有何变化。再打开电源，过数分钟后，再观察之。试解释产生变化的原因。

3.实验完成，用盐酸溶液润洗迁移管，并打磨电极。

4.以上实验是电压恒定，通过测量电流随时间的变化来得到迁移数的。试用恒电流的方法重复上述实验。用电流恒定（I＝4mA）的方法，我们只需要记录电流值及界面迁移到整数刻度时（即0.1ml、0.2ml...0.5ml）的时间即可。

3 结果与讨论

3.1 原始实验数据

3.1.1 恒压条件（U=138V）

整刻度的时间、电流值如下：

刻度/ml 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 t/min 0 3’39”8’00”12’49”18’24”24’23”

I/mA 缺失 5.466 4.774 4.240 3.806 3.452 每分钟的时间、电流值如下：

t/min 0 1 2 3 4 5 6 7 8

I/mA 缺失 6.040 5.820 5.597 5.399 5.222 5.060 4.910 4.774 t/min 9 10 11 12 13 14 15 16 17

I/mA 4.630 4.531 4.422 4.321 4.224 4.135 4.053 3.975 3.901 t/min 18 19 20 21 22 23 24

I/mA 3.831 3.763 3.699 3.638 3.580 3.525 3.472

3.1.2 恒流条件（I=4mA）

整刻度的时间、电流值

刻度/ml 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 t/min 0 5’42”11’15”16’39”22’13”27’32”

I/mA 4.042 3.980 3.979 3.979 3.980 3.980 3.2 计算的数据、结果

3.2.1 恒压条件

将每分钟的时间、电流值绘制成I-t曲线，如下图所示：