離子遷移數(shù)的測(cè)定物化實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、離子遷移數(shù)的測(cè)定一界面法2實(shí)驗(yàn)操作2.1儀器藥品.儀器型號(hào)及測(cè)試裝置示意圖遷移管，DC-0510節(jié)能型智能恒溫槽（寧波新芝生物科技股份有限公司），Cd電極，Ag電極，UT56優(yōu)利徳萬(wàn)用表，DHD300V/50mA直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源（北京大華無(wú)線(xiàn)電儀器廠），秒表，砂紙HC1溶液(0.1005moll),圖1界面法測(cè)離子遷移數(shù)裝置2.2實(shí)驗(yàn)條件室溫：20.0C濕度：34%大氣壓：1016.6hPa2.3實(shí)驗(yàn)操作步驟及方法要點(diǎn)（1）按圖安裝電路儀器。配制及標(biāo)定濃度約為O.lmol/L的鹽酸。加入少許甲基橙，使溶液呈紅色。將超級(jí)恒溫水浴溫度調(diào)至25Co用少許鹽酸溶液潤(rùn)洗遷移管兩次，而后在整個(gè)管中加滿(mǎn)鹽酸

2、溶液。注意：切勿使管壁粘附氣泡。將鎘電極套管加滿(mǎn)鹽酸溶液（安裝前檢査鎘電極，如果電極表面被氧化，用砂紙將電極氧化層打磨干凈），安裝在遷移管的下部。遷移管垂直固定避免振蕩，照?qǐng)D連接好線(xiàn)路，檢査無(wú)誤后，再開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。（2）打開(kāi)穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，選擇開(kāi)關(guān)撥到穩(wěn)壓，調(diào)節(jié)電流在67mA之間。隨著電解進(jìn)行，陽(yáng)極鎘會(huì)不斷溶解變?yōu)镃d2+,由于H+離子的遷移，出現(xiàn)潔晰界面。當(dāng)界面移動(dòng)到第一個(gè)刻度時(shí)，立即打開(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)刻度的時(shí)候，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（每刻度的間隔為0.lniL）關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，過(guò)數(shù)分鐘后，觀察界面有何變

3、化。再打開(kāi)電源，過(guò)數(shù)分鐘后，再觀察之。試解釋產(chǎn)生變化的原因。（3）以上實(shí)驗(yàn)是電壓恒定，通過(guò)測(cè)量電流隨時(shí)間的變化來(lái)得到遷移數(shù)的。試用恒電流的方法重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。用電流恒定（1=3mA）的方法，我們只需要記錄電流值及界面遷移到整數(shù)刻度時(shí)（即0.1mL、0.2mL、0.5rnL）的時(shí)間即可。試比較兩種方法。3結(jié)果與討論3.1原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所測(cè)量的HC1溶液濃度0.1005moVL（1）恒電壓測(cè)就U=138V表1不同時(shí)刻的電流值t/mui012345678910I/niA6.6256.3246.0475.8035.5605.3395.1454.9714.8144.6724.543t/mui11121314

4、15161718192021I/niA4.4224.3134.2144.1184.0323.9453.8693.7903.7233.6553.593表2界面過(guò)整數(shù)刻度的時(shí)間及電流V/mL00.100.200.300.400.50t02,54”8816,22”006102458214,41”0391925475IzmA6.5615.8015.0794.4934.0603.686注：時(shí)間格式為min，sms0.999根據(jù)表2里的時(shí)間數(shù)據(jù)，根據(jù)下式積分，求出通過(guò)的總電荷量Q結(jié)果見(jiàn)表4。Q=tIdt表4恒電壓時(shí)界面過(guò)整刻度時(shí)的數(shù)據(jù)刻度/mLt/sLniAQ/C0174.8816.62500.10382

5、.0065.8011.090.20624.5825.0792.210.30881.0394.4933.340.401165.4754.0604.460.50174.8813.6865.56由q+=VcFft+=y,則有t+:q+vcfv=cF一QQQ或者可以寫(xiě)成dVt+=CFdQ其中如為H攜帶的電量，Q為通過(guò)溶液的總電量，V為界面掃過(guò)的體積，g為H+的遷移數(shù),c為HC1溶液濃度，F(xiàn)為Faraday常數(shù)。根據(jù)表4數(shù)據(jù)，作出VQ曲線(xiàn)，并進(jìn)行線(xiàn)性擬合，如下圖所示。Q/C圖3恒電壓操作的VQ曲線(xiàn)從而可以得到斜率喬=0.0893niL/CdQ相應(yīng)的R20.999所以dVqt+=cF=0.1005x964

6、85x0.0863xIO3=0.866（2）恒電流測(cè)量1=3.012mA,保持不變，則Q=I-t根據(jù)上式求出Q,結(jié)果見(jiàn)表5。表5恒電流時(shí)界面過(guò)整刻度時(shí)的數(shù)據(jù)V/niLt/sQ/C0000.10371.7231.1200.20754.4252.2720.301126.3413.3930.401499.1194.5150.501868.8055.629作出VQ曲線(xiàn)，并進(jìn)行線(xiàn)性擬合，如圖4所示。Q/C圖4恒電流操作的VQ曲線(xiàn)從而可以得到斜率咯=0.0887niL/C相應(yīng)的R20.999所以dVCFdQ=0.1005x96485x0.0887xlO3=0.8603.3討論分析CD測(cè)定數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果的分

7、析.比較與理論值對(duì)比文獻(xiàn)給岀25時(shí),0.1moVLHCl溶液中,才遷移數(shù)為0.831。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的HC1溶液濃度為0.1005mol/L,與文獻(xiàn)條件大致相同，可以用作對(duì)比。下表匯報(bào)了兩種測(cè)量方法的結(jié)果和相對(duì)誤差（近似認(rèn)為t+=0.831為理論值）。表6測(cè)量結(jié)果及相對(duì)誤差測(cè)量方法t+相對(duì)誤差恒電壓0.866+4.2%恒電流0.860+3.5%可以發(fā)現(xiàn)兩種方法都有一定誤差，而且比較大。不過(guò)考慮到此濃度下的理論值會(huì)比上述0.831要大，實(shí)際誤差可能沒(méi)這么大。誤差分析本實(shí)驗(yàn)最大誤差來(lái)自時(shí)間的測(cè)量。a）雖然加入甲基橙可以指示出一個(gè)淸晰的界面，但由于界面上方紅色不深（是淡淡的粉色），而且遷移管很細(xì)、刻度線(xiàn)

8、與玻璃的對(duì)比度不是很高，這就給判斷界面所移動(dòng)到的位置帶來(lái)了困難。比如，我認(rèn)為界面已經(jīng)到達(dá)整數(shù)刻度并且按下秒表后，過(guò)了幾秒，界面似乎還停留在那個(gè)整數(shù)刻度處。解決方案可以是在界面快要到達(dá)整數(shù)刻度的時(shí)候一直盯著界面，不過(guò)由于界面遷移得很慢，這樣會(huì)比較累。如果時(shí)間測(cè)量不準(zhǔn)，算出的電量也就不準(zhǔn)了。b）由于只有1個(gè)秒表，該秒表在計(jì)次后示數(shù)會(huì)停止幾秒以便記錄（但仍在計(jì)時(shí)）。如果界面到達(dá)整數(shù)刻度的時(shí)間與應(yīng)該記錄電流的時(shí)間恰好離得很近，暫停的示數(shù)就會(huì)造成干擾,也容易在回看數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生混亂。所以本實(shí)驗(yàn)用秒表記錄的是界面到達(dá)刻度線(xiàn)的時(shí)間，而記錄It數(shù)據(jù)時(shí)，沒(méi)有準(zhǔn)確記錄時(shí)間（只是目測(cè)時(shí)間，也可以從表1中看時(shí)間的有效位數(shù)

9、）。實(shí)驗(yàn)室就應(yīng)該配2個(gè)秒表，否則容易手忙腳亂的。另外，鹽酸濃度沒(méi)有經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確標(biāo)定，而且添加了幾滴的指示劑，可能會(huì)對(duì)實(shí)際濃度造成微小的影響。恒電流的測(cè)量相對(duì)誤差比較小，這應(yīng)該就是因?yàn)闀r(shí)間記錄相對(duì)準(zhǔn)確，而且事實(shí)上電流變化非常?。ㄗ畲笞兓纫簿?.001niA）o（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析解釋伽電極上不斷有氣泡產(chǎn)生.解釋?zhuān)弘娊鈺r(shí)，陰極上發(fā)生還原反應(yīng)2H+2eTH,氣體為氫氣。這也說(shuō)明了為什么要把銀電極放在上面，否則生成的氣體就會(huì)進(jìn)入遷移管，引起斷路。通電后一段時(shí)間，遷移骨中出現(xiàn)界面，界面上方為紅色、下方為無(wú)色，且界面不斷向上移動(dòng).解釋?zhuān)宏?yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)Cd-2e-TCd,陽(yáng)極附近的溶液為CdCb,本應(yīng)

10、使指示劑甲基橙顯淺橙色，但由于指示劑濃度很低，所以看上去是無(wú)色透明的。而HC1溶液呈較強(qiáng)酸性，使甲基橙顯紅色，從而形成清晰界面。隨著IT向陰極（遷移管上端）遷移，界面也不斷上移。恒定電壓測(cè)量時(shí)，電流不斷變小.解釋?zhuān)弘娊饪偡磻?yīng)式2H*+CdT0T+Cd體系內(nèi)的離子越來(lái)越少，導(dǎo)電能力下降，電阻變大，所以電流不斷變小。關(guān)閉電源后，界面慢慢變模糊；重新打開(kāi)電源后一段時(shí)間，界面又變清晰。解釋?zhuān)宏P(guān)閉電源后，遷移管內(nèi)沒(méi)有電場(chǎng)，于是離子自由擴(kuò)散：界面上方C（P濃度低，所以Cd2+向上擴(kuò)散；界面下方H*濃度低，所以H+向下擴(kuò)散。這樣界面就變模糊了?？梢韵胂?如果放置一段時(shí)間，遷移管內(nèi)溶液就比較均勻了，自然不會(huì)有

11、界面。而當(dāng)電源重新開(kāi)啟后，由于Ucd2.UH+(u為電遷移率)且界面下方電勢(shì)梯度上方電勢(shì)梯度，兩種離子在電場(chǎng)作用下又各自回到自己一方溶液中，潔晰界面再次形成。(3對(duì)儀器裝置、操作步驟、實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)意見(jiàn)下面是一些操作技巧。從開(kāi)始通電到出現(xiàn)界面需要較長(zhǎng)時(shí)間。所以可以適當(dāng)調(diào)高電流，待界面移動(dòng)到0刻度下方0.1niL距離處，再將電流控制在3niA附近的某個(gè)值。向遷移管中加溶液時(shí)，要善于利用連通器原理進(jìn)行操作：將鹽酸溶液滴瓶套管接在遷移管下端，把滴瓶舉高，打開(kāi)滴瓶活塞、橡皮管鐵夾，溶液自然能充滿(mǎn)遷移管。如果直接把套著橡膠套的Cd電極插入遷移管下端，必然會(huì)帶入氣泡。所以先用滴管給橡膠套加滿(mǎn)溶液(橡膠套另

12、一端已經(jīng)插著Cd電極)，然后再插入遷移管下端。4結(jié)論本實(shí)驗(yàn)以C少為指示離子，用界面法測(cè)量了25下0.1005mol/LHC1溶液中的H*遷移數(shù)恒電壓法測(cè)得t+=0.866,恒電流法測(cè)得t+=O.86O05參考文獻(xiàn)1賀徳華等-基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)-6附錄為什么在遷移過(guò)程中會(huì)得到一個(gè)穩(wěn)定界面？為什么界面移動(dòng)速度就是H*離子移動(dòng)速度？由尸=嗜、咲廣1仃可推得界面下方電勢(shì)梯度上方電勢(shì)梯度。因此H+因擴(kuò)散作用落入CdCb溶液層。它就不僅比Cd”遷移得快，而且比界面上的H-也要快，能趕回到HC1層。同樣若任何Cd”進(jìn)入低電位梯度的HC1溶液，它就要減速，一直到它們重又落后于IT為止，這樣界面在通電過(guò)程中保持淸晰。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流值為什么會(huì)逐漸