物理化学第8章电解质溶液教案
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第八章 电解质溶液
一、基本内容
电解质溶液属第二类导体,它之所以能导电,是因为其中含有能导电的阴、阳离子。若通电于电解质溶液,则溶液中的阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动;同时在电极/溶液的界面上必然发生氧化或还原作用,即阳极上发生氧化作用,阴极上发生还原作用。法拉第定律表明,电极上起作用的物质的量与通入的电量成正比。若通电于几个串联的电解池,则各个电解池的每个电极上起作用的物质的量相同。
电解质溶液的导电行为,可以用离子迁移速率、离子电迁移率(即淌度)、离子迁移数、电导、电导率、摩尔电导率和离子摩尔电导率等物理量来定量描述。在无限稀释的电解质溶液中,离子的移动遵循科尔劳施离子独立移动定律,该定律可用来求算无限稀释的电解质溶液的摩尔电导率。此外,在浓度极稀的强电解质溶液中,其摩尔电导率与浓度的平方根成线性关系,据此,可用外推法求算无限稀释时强电解质溶液的极限摩尔电导率。
为了描述电解质溶液偏离理想稀溶液的行为,以及解决溶液中单个离子的性质无法用实验测定的困难,引入了离子强度I 、离子平均活度、离子平均质量摩尔浓度和平均活度因子等概念。对稀溶液,活度因子的值可以用德拜-休克尔极限定律进行理论计算,活度因子的实验值可以用下一章中的电动势法测得。
二、重点与难点
1.法拉第定律:nzF Q =,式中法拉第常量F=96484.6 C·mol -
1。若欲从含有+
Z M
离
子的溶液中沉积出M ,则当通过的电量为Q 时,可以沉积出的金属M 的物质的量n 为:
F
Q
n Z +=
,更多地将该式写作F Q n Z =,所沉积出的金属的质量为:M F Q m Z =
,式中M 为金属的摩尔质量。
2.离子B 的迁移数:I
I Q Q t B
B B =
=,1t B B =∑ 3.电导:l
A κl A R G ρ=⋅==
11 (κ为电导率,单位:S·m -
1) 电导池常数:A
l
K cell =
4.摩尔电导率:c
V m m κ
κΛ== (c :电解质溶液的物质的量浓度, 单位:mol·m -
3,
m Λ的单位:12m ol m S -⋅⋅)
5.科尔劳施经验式:)1(c m m βΛΛ-=∞
6.离子独立移动定律:在无限稀释的电解质-+ννA C 溶液中,∞--∞++∞Λ+Λ=,,m m m ννΛ,
式中,+ν、-ν分别为阳离子、阴离子的化学计量数。
7.奥斯特瓦尔德稀释定律:设m Λ为弱电解质-+ννA C 浓度为c 时的摩尔电导率,∞m
Λ为该电解质的极限摩尔电导率,则该弱电解质的解离度为:∞≈
m
m
ΛΛα
若弱电解质为1-1价型或2-2价型,则此时弱电解质化学式为CA ,其解离平衡常数为:
θ2c c
1⋅-=ααθ
K θΛΛΛΛc
m m m m c )(2⋅-=∞∞
该式称为奥斯特瓦尔德稀释定律。
8.电解质-+ννA C 的溶液中离子的平均质量摩尔浓度±m 和平均活度因子±γ:
-
+±
-+=νννm m m ,-
+
±
-+=νννγγγ 式中,-++=ννν
9.电解质-+ννA C 的溶液中阴、阳离子的活度:
θγm m a +
+
+=,θ
γm m a --
-= 10.电解质B(-+ννA C )的溶液的活度a B 及离子的平均活度±a :
-+
-+=
±
=νννa a a a B )(θγm
m a ±
±±= 11.离子强度:2
21i i
i z m I ∑=
12.德拜-休克尔极限公式:I Az γi i 2lg -= (I <0.01mol ·kg -
1)
I z Az γ-+-=±lg (I <0.01mol ·kg -1) I
aB I z Az γ+-
=-+±1lg (I <0.1mol ·kg -
1)
三、习题的主要类型
1、利用法拉第定律计算电极上与发生反应的物质相关的物理量。(例8-1)
2、计算离子在电场作用下的迁移速率、电迁移率、迁移数。(例8-2、例8-3)
3、计算电解质溶液的电导、电导率、摩尔电导率及离子的迁移数。(例8-
4、例8-5) 4、用图解法强电解质溶液的极限摩尔电导率(例8-6);用科尔劳施定律求强电解质或弱电解质的极限摩尔电导率。
四、精选题及解答
例8-1 298.15K 及101325Pa 下电解CuSO 4水溶液,当通入的定量为965.0C 时,在阴极上沉积出2.859×10-
4kg 的铜,问同时在阴极上有多少H 2放出?
解 在阴极上发生的反应:
C u (s )
e (a q )Cu 2122
1
−→−+-+ (g)H e (aq)H 221−→−+-+
在阴极上析出物质的总物质的量为 mol 101.000}mol 96500
965.0
{
n 2t -⨯== 而 )H n(Cu)n(n 221
21t +=
mol 108.999}mol 2
10
63.54
102.859 {Cu)n(33
-42
1--⨯=⨯⨯= 故
mol
101.00 }mol 108.99910
{1.000)H n(3
32
21---⨯=⨯-⨯=
mol 105.00}mol 101.00{)H n()n(H 4321221212--⨯=⨯⨯==
3
5342m 101.22 }m 101325
(298.2)(8.314))10(5.00{
2--⨯=⨯⨯⨯==
p
)RT
n(H V H
例8-2 用界面移动法测定H +的电迁移率时,751s 内界面移动4.00×10-
2m ,迁移管两极间的
距离为9.60×10-
2m ,电势差为16.0V ,试计算H +的电迁移率。
解 H +的移动速率为
1512
s m 105.33s }m 751
104.00{
)r(H ----+
⋅⨯=⋅⨯= 由 dl
dE )
U(H )r(H +
+=得