实验七电导和弱电解质电离平衡常数的测定.doc

2.2 电化学部分实验七 电导与弱电解质电离平衡常数的测定1 目的要求 (1) 了解溶液电导、电导率、摩尔电导率等基本概念。(2) 掌握用电桥法测量溶液电导的原理和方法。(3) 测定溶液的电导，了解浓度对弱电解质电导的影响，测定弱电解质的电离平衡常数。2 基本原理(1) 电导、电导率与电导池常数：导体可分为两类：一类是金属导体，它的导电性是自由电子定 向运动的结果；另一类则是电(解质导体，如酸、碱、盐等电解质溶液，其导电性则是离子 定向运动的结果。对于金属导体.，其导电能力的大小通常以电阻R(resistance)表示， 而对于电解质溶液的导电能力则常以电导G(electric conductance)表示。溶液本身的电阻R和电导G的关系为： (2.7.1)由欧姆定律(Ohms law) (2.7.2)则有 (2.7.3)式中，I为通过导体的电流，U为外加电压。电阻的单位为欧姆，用表示。电导的单位为西门子(Siemens)，用S或-1表示。导体的电阻R与其长度l成正比，而与其截面积A成反比。 (2.7.4)式中，是比例常数，表示在国际单位制(SI)中长1m，截面积为1m2导体所具有的电阻，称为电阻率(resistivity)，单位是1m2。由式(2.7.4)取倒数，并令=1/可得 (2.7.5)称为电导率(eletrolytic conductivity)，也是比例常数，表示长1m，截面积为1m2导体的电导。对溶液来说，它表示电极面积为1m2，两极距离为1m时溶液的电导。单位为-1· m-1或S·m-1。对于某一电导池,用来测定的电极往往是成品电极，两极之间的距离l和电流通过电解质时镀有铂黑的电极面积A是固定的，即lA是固定的，称lA为电导池常数，以Kcell表示，单位是m-1。则式(2.7.5)可表示为:1 / 7 (2.7.6)虽然l和A是固定的，但很难直接准确测量。因此，通常是把已知电导率的溶液(常用一定浓度的KCl溶液)注入电导池，用平衡电桥法测其电导G，则可求出电导池常数。Kcell已知后，用相同的方法和同一电导池来测未知溶液的电导。(2)电导的测定：电导的测定在实验中实际上是测定电阻。随着实验技术的不断发展， 目前已有不少测定电导和电导率的成品仪器，这些仪器可把测出的电阻值换算成电导值在仪器上反映出来。如果是用配套固定的电极，可直接反映出电导率值。但其测量原理都是一样的，和物理学上测电阻用的韦斯顿(Wheatstone)电桥类似。测量导体的电导是以补偿法为基础的，即将一未知电阻与一已知电阻相比较的方法，求得导体对电流的电阻值。其原理如图(2.7.1)所示。图2.7.1 补偿法原理线路图 2.7.2 学生型电位差计测电阻时线路图 1振荡器 2电键 3电导池 4耳机 5电阻箱AB是均匀滑线电阻，沿滑线AB移动接触点c，找出当零点指示仪器指示无电流通过时，即D、C两点电位相等，因此AD区域间的电位降应等于AC区域间的电位降 ；同样，BD和BC区域间的电位降亦相等。自电源出来的电流强度为I，在A点电流分为二支，设沿ACB电路电流强度为I1，沿ADB电路电流强度为I2，此时 (2.7.7) (2.7.8)式中，V为电位降，l为滑线臂长，P为单位滑线长之电阻。因为 所以有 (2.7 .9) (2.7.10) 式(2.7.9)÷式(2.7.10) 或 (2.7 .11)式中lBC、lAC、R1均可直接从仪器上读出，由此可以计算出Rx，其倒数Rx即为待测导体的电导G。如果是采用学生型电位计右半部分作为电桥(即学生型电桥)，其原理如图(2.7.2)所示。主要部分是一个电阻为10的均匀金属丝LH,E+点在LH上可滑动接触点，滑线LH分有1000刻度，旋动B可读出与LE+相应的刻度，设计刻度为A，于是可计算出LE+/HE+之比值，亦即 (2.7.12)为了测定更精确，可以将接触点由LH移 到LH，H与H之间、L与L之间各有一个45的电阻，在电桥平衡时 (2.7.13)这样灵敏度提高10倍。 (3) 摩尔电导率、电离度及电离常数：摩尔电导率(molar conductivity)是指把含1mol电解质的溶液全部置于相距为1m的两电极间，这时所具有的电导，这时用m表示。此时，溶液的摩尔电导率 (2.7.14) Vm是1mol电解质溶液的体积，单位是m3·mol-1。若溶液的浓度为c (mol·m-3)，则 (2.7.15)溶液的m其单位为S·m2·mol-1。m随溶液浓度而改变，溶液越稀，m越大。因为当溶液无限稀释时，电解质分子全部电离，此时，摩尔电导率最大，这一最大值称为极限摩尔电导率，以m 表示之 。m要小于m ，弱电解质溶液m与m 之比象征着电解质的电离程度或称其为电离度，以表示之，即 (2.7.16)1-1型电解质在溶液中建立平衡时设未离解时AB的浓度为c，其电离度为，则平衡时 (2.7.17) (2.7.18)根据质量作用定律,AB电离常数为 (2.7.19)对弱电解质 (2.7.20)在实验中如能测出不同浓度c时的电导，再由电导求出摩尔电导率，并从文献查出m，则可根据(2.7.20)式计算弱电解质的电离常数。(4) 浓度对电导的影响:科尔劳乌施(Kohlrausch)根据实验结果发现，在浓度极稀时强电解质的m与几乎成线性关系 (2.7.21)式中在一定温度下，对于一定的电解质和溶剂来说是一个常数。但对于电解质来说，如CH3COOH、NH4OH等，直到溶液稀释至0.005mol·L-1时，摩尔电导率m与仍然不成线性关系。3 仪器药品学生型电位计(或其它电桥装置) 1台 压触电键 1个蜂鸣器(或示波器) 1台电 阻箱 1个双刀开关 1个直流电源(根据配套要求，有的需要交流电源) 铂黑电极 1对20mL移液管 5个电导池管 5个恒温水浴 1套电导水：0.0200mol·dm-3KCl;0.1000mol·L-1、0.0500mol·L-1、0.0250mol·L-1、0.0125mol·L-1CH3COOH。4 实验步骤(1 ) 连接线路：在阅读并熟悉测电导原理的前提下，对用学生型电位差计作电桥装置者可按 图2.7.2所示方法连接。对用其它电桥装置的可按图2.7.1所示原理图连接(采用示波器和采用耳机作为平衡零点指示器时，在线路连接具体操作上稍有区别，但基本原理是一样的)。经指导教师检查后可开始实验。(2) 温度控制：在连接线路的同时，调节恒温水浴至298.2±0.1K。洗净5个电导池管，并烘干。(3) 电导池常数Kcell的测定：取一个烘干凉下来的电导池管放入298.2K恒温槽中。用0.0200mol·L -1KCl溶液冲洗20mL移液管和铂黑电极2次3次。然后用20mL移液管吸取40mL0.020 0mol·L-1KCl溶液放入电导池中，插入铂黑电极并接上电路，使液面超过电极1cm 2cm。恒温15min后测该溶液的电阻Rx。合上双刀开关，蜂鸣器发生嗡嗡声后，旋转圆盘使指针指于500；调节电阻箱，断续压下压触电键，当耳机声音很小后，再来调节旋盘使耳机直到没有声音为止。记下此时电阻箱的电阻R和旋盘上A的刻度。此操作可重复 2次3次。(4) 不同浓度CH3COOH溶液电导率的测定：可以用容量瓶和移液管事先把0.1000mol·L-1CH3COOH以电导水分别稀释成0.05500mol·L-1、0.0250mol·L-1和0.0125mol·L-1不同浓度的溶液备用。也可以边测定边稀释(见后) 。取出上述实验用的铂黑电极，用电导水冲洗干净，再用0.1000mol·L-1CH3CO0H溶液洗3次。另取一干净电导池管浸入恒温槽，用移液管移取40mL0.1000mol·L-1KCl溶液注入电导池管(移液管应先用0.1000mol·L-1KCl洗3次)，放入电极，保持液面超过电极1cm2cm，恒温15min，按上法测其电阻Rx，并重复测定2次3次。 按同样方法测定0.0500mol·L-1 (将0.1000mol·L-1CH3COOH取出一半，加入等量电导水，以下类推)、0.0250mol·L-1和0.0125mol·L-1CH3 COOH的电阻。实验完毕，倒出CH3COOH溶液，将电极用蒸馏水冲洗后浸入蒸馏水中，洗净所有用过的玻璃仪器，关掉开关，整理好仪器。(本实验如用示波器代替蜂鸣器，同学们应首先在指导教师指导下，熟悉示波器的原理、应用和操作方法，然后对上述实验步骤略作改动。)5 数据处理电导池常数Kcell测定数据室温：_ K 实验温度：_K 大气压_Pa电阻Rx()电导池常数(m-1)CH3COOH溶液的电离常数测定数据CH3COOH(mol·L-1)次数Rx()电导率（-1.m-1）摩尔电导率m(S.m2.mol-1)电离度电离常数Kc0.1000120.0500120.0250120.012512Kc平=(1)由实验步骤(3)的测量数据，用式(2.7.12)(其中R1为变阻箱的读数，A为转动旋盘的读数计算0.0200mol·L-1KCl溶液的电导G，并由式(2.7.6)计算电导池+常数， Kcell值取几次测量平均值(KCl溶液的值请查本书附录)。(2) 实验步骤(4)的测量数据，用式(2.7.2)计算不同浓度CH3COOH溶液的电导G，并由式(2.7.6)和式(2.7.5)计算各个不同浓度下CH3COOH的电导率和摩尔电导率。 (3) 已知醋酸溶液在298K无限稀释时的摩尔电导率m =0.0390S·m2·mol-1，利用式(2.7.16)计算在各个不同浓度时的电离度。(4) 利用式(2.7.19)或式(2.7.20)计算各个醋酸浓度时的电离常数Kc，取其平均值，并与文献值比较，计算其相对误差(文献值Kc=1.772×10-5)。(5) 以醋酸溶液的摩尔电导率m对醋酸浓度的平方根作图。(6) 结果要求及文献值结果要求：298.2K时CH3COOH电离常数Kc应在1.700×10-51.800×10-5范围内。所列表、CH3COOH的图要规范。文献值：不同温度时CH3COOH的电离平衡常数如下：温度（K） 278.2 288.2 298.2 308.2 323.2Kc*105 1.698 1.746 1.754 1.730 1.630 摘自化学便览基础编，1055(1966)。6 注意事项(1)温度对电导的影响较大，所以在整个实验过程中必须保证在同一温度下进行，恒温槽温度控制尤其值得注意。并保持换溶液后恒温足够时间后再进行测定。(2)本实验核心是电极，由于铂黑玻璃电极极易损坏，在实验中，尤其是在冲洗时注意不!要碰损铂黑或电极其它部位，用毕后及时将电极洗净并浸泡在蒸馏 水中。铂黑电极的制备和使用：为了预防可能发生的极化 ，电极表面应镀以细微的铂粒(铂黑)。镀铂黑线路如图2.7.3，先把滑线电阻放在最小，然后慢慢增大直到电极附近放出气泡为止。每分钟改变电流方向一次，直至电极表面镀上一层薄薄的铂黑为止。然后用蒸馏水仔细冲洗，再在稀H2SO4(10%)溶液中电解几分钟，此时以铂黑电极为阴极，另取铂丝为阳极，目的是把吸附在铂黑电极上的氯还原为H Cl后溶于水中，镀完后再用蒸馏水冲洗。多次用+过的铂黑电极，在使用中如果发现不正常 ，可浸入10%的HNO3或HCl中2min，然后用蒸馏水冲洗再行测量，如情况并无改善，则铂黑必须重新电镀。镀前先将铂黑电极在王水'中电解数分钟，每分钟改变电流方向一次，铂黑即行溶解。铂先恢复光亮，用铬酸钾和浓H2SO4的混合溶液浸洗，使其彻底洁净，再用蒸馏水冲洗，即可镀上铂黑。使用铂黑电$极时必须小心，不能用手或其它物品接触铂黑 以免脱落。用完后浸入蒸馏水中。(3) 在测定过程中，应避免连续长时间使压触电键处于接触状态，尤其当耳机声音较大时，尽量以少而短促的弹压方式使电键触通进行测定。 (4) 稀释溶液的水一定要用电导水。7 思考题(1) 什么叫溶液的电导、摩尔电导率和电导率?(2) 溶液的电导率、摩尔电导率与浓度的关系怎样 ?(3) 为什么要测电导池常数?如何测定?(4) 为什么测定溶液电导要用交流电?在什么情况下可用市电，甚至直流电源?(5) 交流电桥平衡的条件是什么?(6) 影响溶液电导的因素主要有哪些?实验中应采取哪些相应措施来防止这些因素的响?(7) 电极在不使用时，应把它浸在蒸馏水中，为什么?(8) 在实验过程中，不小心触动了电极，为什么会对最后的结果有影响 图2.7.3 镀铂黑线路图1铂电极 2电镀池 3毫安计 4蓄电池 5双刀开关 6可调电位器 友情提示：方案范本是经验性极强的领域，本范文无法思考和涵盖全面，供参考!最好找专业人士起草或审核后使用。