实验七电导和弱电解质电离平衡常数的测定14页精选文档.docx
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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(electricconductance)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(Ohm′slaw)
(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Ω表示。
电导的单位为西门子(Siemens),用S或Ω-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,ρ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κ=1/ρ可得
(2.7.5)
κ称为电导率(eletrolyticconductivity),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Ω-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l/A是固定的,称l/A为电导池常数,以Kcell表示,单位是m-1。
则式(2.7.5)可表示为:
(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10Ω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L′H′,H与H′之间、L与L′之间各有一个45Ω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(molarconductivity)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Λm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Λm其单位为S·m2·mol-1。
Λm随溶液浓度而改变,溶液越稀,Λm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Λm∞表示之。
Λm要小于Λm∞,弱电解质溶液Λm与Λm∞之比象征着电解质的电离程度或称其为电离度,以α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α,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Λm∞,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Λm与几乎成线性关系
(2.7.21)
式中β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Λm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40mL0.0200mol·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1cm~2cm,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-1CH3COOH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(Ω)
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(Ω)
电导率κ
(Ω-1.m-1)
摩尔电导率Λm(S.m2.mol-1)
电离度α
电离常数Kc
0.1000
1
2
0.0500
1
2
0.0250
1
2
0.0125
1
2
Kc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к值请查本书Ⅳ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Λm∞=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α。
(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Λm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1.700×10-5~1.800×10-5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)278.2288.2298.2308.2323.2
Kc*1051.6981.7461.7541.7301.630
摘自《化学便览》基础编Ⅱ,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
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- 实验 电导 电解质 电离 平衡常数 测定 14 精选 文档