实验六:电导法测弱电解质得电离平衡常数一、实验目得:1、掌握惠斯登电桥法测定电导得原理。
2、学会实验测量得操作技术。
3、学会图解法求算解离度,了解电导测定得应用。
二、实验原理:电解质溶液得导电能力由电导G来量度,它就是电阻得倒数,即:电导得单位就是“西门子”,符号为“S”,。
将电解质溶液放入两平行电极之间,若两电极距离为l,电极面积为A,则溶液得电导为:式中电导率,其物理意义就是l=1m,A=1m2时溶液得电导,其单位为S·m-1。
定义电导池系数则通常将一个电导率已知得电解质溶液注入电导池中,测其电导,根据上式即可求出K cell。
在研究电解质溶液得导电能力时,经常使用摩尔电导率,其定义为:式中c为电解质溶液得浓度,得单位就是:S·m2·mol-1。
对于弱电解质(例如醋酸)来说,由于其电导率很小,所以测得得溶液得电导率应包括水得电导率,即电解质溶液就是由正、负离子得迁移来传递电流得,在弱电解质溶液中,只有解离部分得离子才对电导有贡献,而在无限稀释得溶液中,电解质全部解离,其摩尔电导率就是正、负离子得极限摩尔电导率之与。
即式中ν+,ν-分别为正、负离子得化学计量数,可查表得到。
与得差别来自两个因素,一就是电解质得不完全电离,二就是离子间得相互作用。
若溶液中离子浓度很低,彼此相隔较远,相互作用力可以忽略,则与之间得关系可表示为:(推导)式中α为弱电解质得解离度。
醋酸在水溶液中有下列平衡:其解离平衡常数为(推导)将代入上式整理可得此式称为奥斯特瓦尔德(Ostwald)稀释定律。
改写成线性方程为:以对作图得一直线,斜率为,截距为,由此可求得与(推导) :整理可得:电解质溶液得电导通常利用惠斯登(Wheatston)电桥测量,但测量时不能用直流电源,因直流电流通过溶液时,导致电化学反应发生,不但使电极附近溶液得浓度改变引起浓差极化,还会改变两极得本质。
因此必须采用较高频率得交流电,其频率通常选为1000Hz。
另外,构成电导池得两极采用惰性铂电极,以免电极与溶液间发生化学反应。
惠斯登电桥得线路如图8-1所示,其中S为交流信号发生器,R1、R2与R3就是三个可变交流变阻箱得阻值,R x为待测溶液得阻值,H为耳机(或示波器),C1为在R3上并联得可变电容器,以实现容抗平衡。
测定时,调节R1、R2、R3与C1,使H中无电流通过,此时电桥达到了平衡。
则有:即R x得倒数即为溶液得电导,即由于温度对溶液得电导有影响,因此实验应在恒温条件下进行。
本实验通过测定0、02mol KCl溶液得电阻,求得电导池系数通过测定水、醋酸溶液得电导G,分别求出其电导率根据两式计算出各浓度醋酸溶液得,最后以三、仪器与药品交流信号发生器1台恒温槽1台(图)示波器1台(图)可变电阻箱1个(图)电导电极1个(图)电导池1个(图)10mL移液管2支0、02 mol·dm-3氯化钾溶液、0、1 mol·dm-3乙酸溶液、电导水四、实验步骤1、按8-1图连接好惠斯登电桥测量线路,调节恒温槽温度至25℃。
2、测定电导水得电导。
依次用蒸馏水、电导水洗电极及电导池各三次,在电导池中装入电导水,水面高度应高于电极铂片2mm以上,放入恒温槽中恒温后,测定其电阻。
然后更换电导水,再测定两次,取其平均值。
3、测定醋酸溶液得电导。
取20mL 0、1 mol·dm-3醋酸溶液注入电导池中,测定其电阻。
用移液管从电导池中吸出10mL溶液弃去,用另一支移液管取10mL电导水注入电导池中,混合均匀,待温度恒定后,测量其电阻,如此操作,共稀释4次,即分别测定0、1、0、05、0、025、0、0125、0、00625 mol·dm-3五个浓度溶液得电阻R x。
4、测定电导池系数。
按2中所述方法测定0、02 mol·dm-3得KCl溶液得电阻,重复测定三次,取其平均值。
已知25 ℃时0、02 mol·dm-3得KCl溶液得电导κ(KCl)=0、2765S·m-1。
5、将上述测量数据及处理结果记录于下表中。
６、以对作图,由直线得斜率计算。
已知25℃时= 349、82×10-4 S·m2·mol-1,= 40、9×10-4 S·m2·mol-1。
计算出,并与作图法得到得相比较。
【实验关键提示】1、利用惠斯登电桥测定溶液得电导,关键就是找到电桥得平衡点,一般测量步骤就是,先选择R2/R1=1(理论上讲,此时所得到得结果得误差最小),再调节R3使通过示波器H得信号最小。
但在测量电导水时,由于R x较大,可选择R2/R1=10或R2/R1=100。
2、对交流信号来说,电导池R x得两个电极相当于一个电容器,这一结果使电桥两支线得位相不同,因而找不到示波器H中信号完全消失得位置,对于精确得测量,需要在电阻R3上并联一个可变电容器C1,以实现容抗平衡。
另外,为避免外来电磁波得干扰,最好使用屏蔽导线,接线柱得裸露部分尽量缩短。
3、由于温度变化会影响电导,一般在室温下温度升高1oC,电导将增加2％,因此测量时应注意保持恒温,待测液一般需恒温10 min。
4、本实验所测定得醋酸溶液及电导水得电导率都就是很小得,若其中有微量得杂质会引起很大得实验误差,因此实验过程中必须保持样品得纯度,石英蒸馏器制备得二次蒸馏水得电导率应小于1×10-4 S·m-1,测量样品得步骤遵循电导率由小到大得先后顺序,测量时电导池与电导电极要用待测液洗干净。
5.本实验所用电导电极就是镀铂黑得铂电极,镀铂黑得目得就是为了增大电极得表面积,减小电流密度,从而降低由电流引起得极化效应,因此在实验过程中不要用滤纸擦拭铂黑,以免使铂黑脱落而改变电导池系数。
实验结束后,用蒸馏水冲洗电极,最后浸泡在蒸馏水中。
【讨论】电导测定不仅有助于研究电解质溶液得特性,也可直接用来解决一些化学问题,诸如计算水得离子积,难溶盐得溶解度与弱电解质得解离度等。
对于这些浓度极低得体系,一般得分析方法难以精确测定。
然而,正就是由于浓度低,离子间得相互作用可以忽略,才有Λm一式成立,这便为电导法解决问题提供了方便。
根据可得:对于强电解质(如AgCl、PbSO4等)溶液,α＝1,通过与可以计算出其溶解度c;对于弱电解质(如HAc等),通过与c可以计算出解离度α。
其中可以查表得到,因此电导法解决这类问题最终归结为电导率得精确测定。
电解质溶液属于离子导体,其电阻同电子导体(如金属、石墨等)一样,也服从欧姆定律与(推导)式,因此两者测量电阻得原理与方法相同,即可以利用惠斯登电桥。
所不同得就是,电解质溶液得导电机理就是由正、负离子共同承担得,导电过程中在两电极上总就是伴随着电化学反应,这种特殊性导致在测量技术上需做如下三点改变:(1)使用交流电源;(2)因采用交流电源,所以不能用直流检流器,而改用示波器或耳机;(3)需补偿电导池得电容。
为防止电导池中溶液浓度改变而产生极化,交流电源得频率应高一些。
但就是另一方面,由于电阻箱(R1,R2,R3)存在电感与电容,电导池也有电容,因此在使用高频交流信号时,电桥平衡条件应当就是:式中Z就是阻抗(包括电阻、电容与电感),若交流信号得频率不太高,则电感与电容得影响可以忽略,此时仍然成立。
综合以上因素,交流信号得频率一般选择在1000Hz 左右。
电导电极得选用应根据被测溶液电导率得大小而定,对电导率大得溶液,应选择电导池系数大得电极;反之,则选择电导池系数小得电极。
本实验得示零装置采用示波器,其灵敏度高而且很直观,但常受到外来电磁波得干扰,若采用低阻值得耳机则可避免这种干扰,但灵敏度不高,且克服不了测量过程中得人为因素。
应用电导法测量可以解决多种实际问题,它就是电化学测量技术中最基本得方法之一,由于具有准确、快速得优点,所以在实际中得到广泛得应用,如水质得检验、电导滴定、通过测定电导确定工业用水得含盐量以及增大溶液得电导使电解时能耗降低等等。
近年来,由于实验技术得不断发展,已出现许多测定电导率得专用仪器,它就是把测出得电阻值换算成电导率直接显示在仪器上,其测量原理与惠斯登电桥类似。
通过本实验学习希望同学们能够掌握这种方法,并学会运用电导知识分析电解质溶液得一些性能。
25o C时醋酸解离平衡常数得文献值为＝1、754ｘ10-5,同学们将计算结果与此比较,分析产生误差得原因,并对本实验装置得测量精度作出评价。
【思考题】能否通过测量电极间得距离与极板面积来求得电导池系数？应如何得到电导池系数？答:不能通过测量电极间得距离与极板面积来求算电导池系数。
因为极板镀铂黑,表面凸凹不平,其面积不可能通过几何测量算准。
可以通过测量已知电导率得KCl溶液得电导算出。
(2)测电导时为什么要恒温？实验中测电导池系数与溶液电导时,温度就是否要一致？答:因为电导与温度有关,所以测量时要在恒温条件下进行。
测量蒸馏水与测量醋酸溶液得电导,两者得温度应保持一致。
而测量电导池系数(用KCl溶液)得温度可以与醋酸溶液不同,因为电导池系数与温度无关,只要使KCl溶液得电导率与温度对应即可。
(3)实验中为什么要用铂黑电极？使用时应注意什么？答:镀铂黑得目得就是为了增大电极得表面积,减小电流密度,从而降低由交流电引起得极化效应。
但使用时要注意,不要用滤纸擦试铂黑,以免使铂黑脱落而改变电导池系数。
实验结束后,用蒸馏水冲洗电极,并浸泡在蒸馏水中。
(4)测定溶液得电导为什么要用交流电桥？能否用直流电桥？答:测量溶液得电导不能用直流电源,因为直流电通过溶液时,由于电化学反应得发生,不但使电极附近溶液得浓度改变而引起浓差极化,还会改变电极得本质。
因此必须采用交流电源,使交流电前半周在电极上产生得变化在后半周得以抵消。
实验八电导法测定弱电解质得解离平衡常数姓名:__________ 学号:__________ 地点:__________实验日期:______ 室温:__________ 气压:__________一、实验目得二、实验原理三、实验操作1.写出实验所用得仪器与药品。
2.写出实验操作步骤。
四、实验数据记录与处理1.记录KCl溶液得电导(或电阻);查表得KCl溶液得电导率κ= S·m-1。
计算电导池系数K cell。
2.记录电导水得电导(或电阻),计算其电导率κ(H2O)。
3.将测定醋酸溶液得原始数据记录于下表中:4.以Λm对作图,并计算离解平衡常数。
五、结果与讨论写出对实验结果与实验现象得分析、归纳与解释,以及通过实验所获得得心得体会等。
鼓励学员通过查阅文献,提出对实验进一步研究与改进得建议等。