离子迁移数的测定实验报告样本

离子迁移数的测定——界面法

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实验日期：提交报告日期：

实验助教：

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与方法。

1.2实验原理[1]

当电流通过电解池溶液时，电极上发生化学变化，溶液中阳离子与阴离子分别向阴极和阳极迁移。若两种离子传递的电荷量分别为q+和q-，通过的总电荷量为

Q=++

每种离子传递的电荷量与总电荷量之比称为离子迁移数，则阴、阳离子的迁移数分别为

且++=1

在包含数种电解质的溶液中，t-和t+分别为所有阴、阳离子迁移数总和，一般增加某种离子浓度，其离子迁移数增加；对只含一种电解质的溶液，浓度的改变使离子间引力场改变，自然离子迁移数也改变；若温度改变，迁移数亦变化，一般温度升高时，t-和t+差别减小。

实验中采用界面法，以镉离子作为指示离子，测量一定浓度的盐酸溶液中H+离子迁移数。在一截面均匀的垂直放置的迁移管中充满盐酸溶液，通以电流，当有Q电量的电流通过每个静止的截面时，t+Q当量的H+上行，t-Q当量的Cl-通过界面下移。假定在管的下部某处存在一个界面，界面以下没有H+而被Cd2+取代，此界面将随H+的上移而移动，界面位置可利用界面上下溶液pH值的不同，使用指示剂显色。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+向上迁移的平均速率等于界面上移速率。在某通电时间t内，界面扫过体积V，H+输送电荷数为该体积中H+带电总数，即

式中：C为H+的浓度，F为法拉第常数，电荷量以库[仑](C)计。

要想使界面保持清晰，须使界面上、下的电解质不相混合，这可

通过选择合适的指示离子在通电情况下达到，Cd2+就符合这个要求。

Cd2+的淌度(U)较小，有

Cd2+

通电时，H+上行Cl-下移，Cd在Cd电极上氧化并经入溶液中生

成CdCl2，逐渐顶替HCl，在管内形成界面。由于溶液呈电中性，任

意截面都不会中断传递电流，H+迁移走后Cd2+紧随其后且两者迁移速

率相等，则

d′dCd2+=H+d′d>

说明CdCl2溶液中电位梯度较大(如图1)，导致H+难以扩散至下层，而Cd2+也难以扩散到界面以上，可保持界面清晰。

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，DC-0510节能型智能恒温槽，DHD300V/500mA直流稳压稳流电源，Cd电极，Ag电极，数字万用电表，HCl-甲基橙溶液(HCl浓度为0.1263mol/L)，秒表。

2.2实验条件

实验室中为100.88kPa，19.8℃。

2.3实验操作步骤及方法要点

1.按图2安装仪器(实验室中溶液已配好)，将XXX调为25℃。先用去离子水清洗迁移管三次，再用溶液润洗三次，在管中加满溶液(注意不要有气泡)。将Cd电极套管中加满溶液(安装前检查电极，若表面被氧化则用砂纸打磨干净)，安装在管下部。管垂直固定避免振荡，依图接线，检查无误后开始实验。

2.先做恒流，打开电源，开关搬至稳流，调节电流为4mA。随电解进行，阳极不断溶解，将出现界面。界面移动至第一个刻度时立即打开秒表，此后每当界面移动至整刻度时记录时间及电流值，直至刻度为0.5mL。

3.完成后，清洗、润洗迁移管并重新装好溶液。电源开关搬至稳压，调节电流在6~7mA之间。需每隔1min记录时间及电流值，每当界面移动至整刻度时记录时间及电流值，直至刻度为0.4mL。

4.关闭开关，过几分钟后观察界面，再打开电源，数分钟再观察。试解释该现象。

5.整理实验仪器。

3结果与讨论

3.1原始实验数据

溶液酸度为0.1263mol/L。电流恒定：表1

离子迁移数计算式：

3.2计算的数据结果

(1)电压恒定：分别作出电压恒定条件下的I-t曲线(图3)以及积分曲线(图4)。

从积分曲线图中可以读出第2、4、5整刻度点处(0刻度为第一刻度)的电量值，分别为1550.77mC、4659.94mC、6213.11mC，从而分别求出刻度1~4、2~5、1~5所对应时间内的电量，表3列出了三个区段内的体积、时间和电荷量：

+t+(1~4)=0.7846t+(2~5)=0.7842t+(1~5)=0.7847

平均值为t+=0.7845，t-=0.2155

(2)电流恒定：如图5、6，分别为电流恒定条件下的电流-时间曲线和积分曲线。

从积分曲线图中可以读出第1、2、4、5整刻度点处(取0.1mL刻度为第一刻度)的电量值，分别为1563.61mC、3091.23mC、6158.27mC、7701.50mV，列出表4

计算出各区段离子迁移数为

t+(1~4)=0.7958t+(2~5)=0.7931t+(1~5)=0.7943

平均值为t+=0.7944，t-=0.2056

3.3讨论分析

1.298.15K下，H+浓度为0.1mol/L时，迁移数的文献值为0.8314(本实验中可近似取该值为标准值)，实验数据为0.7845和0.7944，两次实验平均值为0.75，本组实验的结果偏小。

2.实验中观察到管内出现界面，界面上部分溶液为红色，下部呈无色。随着电解反应的进行，界面不断上移，且在银电极表面有气泡产生。关闭电源开关后，界面变得模糊，这是因为外加电场消失，界面上部的H+逐渐扩散所致；数分钟后打开电源，界面又变清晰。

3.误差分析：实验的相对误差为-4.99%，误差略大。由于在做恒流法实验时测得的迁移数与文献值偏差较大，在所有实验完成后，本组又重做了一次恒流实验，为排除溶液浓度的影响，改用了另一瓶溶液。重做时先采用4mA电流，中间又改用3mA电流。结果如下：

结果发现测得的迁移数依然在0.790附近，排除了操作失误和溶液浓度偏差的原因，初步判断可能是实验仪器造成的误差，如万用表未校正。

实验中要求管内不能有气泡，而电解过程中，Ag电极表面有气泡产生，应该也会对电路有一定影响。

4.实验中迁移管需要先清洗三次，再用溶液润洗三次；给迁移管加溶液时不能有气泡，会造成断路。

25℃条件下，恒流法测得迁移数为0.7944，恒压法为0.7845。

5参考文献

[1]贺，麻，张.基础物理化学实验.北京：高等教育出版社，2008：76-80.

1.为什么在迁移过程中会得到一个稳定界面为什么界面移动速率就是H离子移动速率

答：Cd2+的淌度(U)较小，H＋和Cd2+迁移速率相等，即CdCl2溶液中电位梯度较大。＋＋

若H扩散至CdCl2溶液中，则它要比Cd2+和界面上的H迁移的都要快，能返回HCl层，同理若Cd2+向上扩散至HCl溶液中也会很快返回至界面以下，这样界面将保持清晰。

2.实验过程中电流值为什么会逐渐减小

＋答：因为随着电解的进行，溶液中H浓度越来越小，单位时间内在银电极上参与反应

＋的H也越来越少，所以电流值不断减小。

－3.如何求得Cl离子的迁移数

－答：因为H+、Cl迁移数之和为1，只要用1减去H+迁移数即可。