Kθ值即可通过(5)式由实验测得。
由电导的物理概念可知:电导是电阻的倒数,对电导的测量也是对电阻的测量,但测定电解质溶液的电阻有其特殊性,当直流电流通过电极时会引起电极的极化,因此必须采用较高频率的交流电,其频率一般应取在1000Hz。另外,构成电导池的两个电极应是惰性的,一般是铂电极,以保证电极与溶液之间不发生电化学反应。
精密的电阻测量通常均采用电桥法,其精度一般可达0.0001以上。它的原理如图2所示。
图2 交流电桥法测量原理图
S为高频(1000Hz/S)交流电源,AB为一均匀且带有刻度的滑线电阻,G为示零器(示波器或耳机),R3为可变电阻,Rx为电导池两极间的电阻。调节电阻R3或移动接触点D,使CD两点间电势差等于零,此时CD间没有电流,即
VAC?VAD
所以
I1R1=I2R3 I1R2=I2Rx
(7)式除以(8)式得:
VCB?VDB
(6)
(7) (8)
R1R3 ?R2Rx
Gx?R1?1 RxR2R3 (9)
由(9)式可得Gx值,但还必须换算成电导率k,由k可通过(3)式求得摩尔电导率∧m。由(2)式可知
k?lG?KcellG A (10)
35 35
(10)式中kcell称为电导池常数,它是电导池两个电极间的距离与电极表面积之比。为了防止极化,通常将铂电极镀上一层铂黑,因此真实面积A无法直接测量,通常可将已知电导率k的电解质溶液(一般用的是标准的0.0100 mol2dm-3KC1溶液)注入电导池中,然后测定其电导G即可以(10)式算得电导池常数kcell。
当电导池常数kcell确定后,就可用该电导池测定某一浓度c的醋酸溶液的电导,再用(10)式算出k,加c为已知,则c、k值代入(3)式算得该浓度下醋酸溶液的摩尔电导率,因此只要知道无限稀释时醋酸溶液的摩尔电导率
θ
??m就可以应用(5)式最后算得醋酸的电离常数中K。
在这里??m的求测是一个重要问题,对于强电解质溶液可测定其在不同浓度下摩尔电导率再外推而求得,但对弱电解质溶液则不能用外推法,通常是将该弱电解质正、负两种离子的无限稀释摩尔电导率加和计算而得(?m?v??m,??v_?m,?),不同温度下醋酸??m的值见下表。
2-1
不同温度下醋酸溶液的??(S2m2mol) m???t/℃ 20 21 22 23
2??m310 t/℃ 24 25 26 27 2??m310 t/℃ 28 29 30 2??m310 3.615 3.669 3.738 3.784 3.841 3.903 3.960 4.009 4.079 4.125 4.182 三 、仪器与药品
(一)仪器
电导率仪1台 (二)试剂
KC1标准溶液(0.0100 mol2dm-3 ) HAc溶液(准确浓度c标于瓶签)
电导池 1个
移液管
四、实验步骤
1.电导率仪的校准
36
36
接通电导率仪电源后,预热30分钟,将“选择”开关量程选择开关旋钮指向“检查”,“常数”补偿调节旋钮指向“1”刻度线,“温度”补偿调节旋钮指向“25”度线,调节“校准”调节旋钮,使仪器显示100.0μS/cm,至此校准完毕,测量时不允许再触动“校准”调节旋钮。 2.测定电导池常数Kcell
倾去电导池中蒸馏水(电导池不使用时,应把它浸在蒸馏水中,以免干燥后难以清除被铂黑所吸附的杂质,并且避免干燥的电极浸入溶液时,表面不易完全浸润,表面附着小气泡,使电极表面积发生改变,影响测量结果),用少量0.0100 mol2dm-3KC1溶液洗涤电导池和铂电极,一般三次,然后倒入0.0100 mol2dm-3的KC1溶液,使液面超过电极1~2cm,与电导率仪连接后,将电导率仪的“温度”补偿调节旋钮指向溶液温度,“选择”开关量程选择开关旋钮指向“II”,调节“常数”补偿调节旋钮至显示电导为0.0100 mol2dm-3的KC1溶液的电导值为止(标准值见附表)。然后再将“选择”开关旋钮指向“检查”此时电导率上显示一数值M,则电导池常数Kcell=M?100。测量时不允许再触动“常数”调节旋钮。 3.测定蒸馏水的电导
倾去电导池中的KC1溶液,将电导池和铂电极用蒸馏水洗涤。旋转“选择”开关旋钮置于所需量程档,如果预先不知被测介质电导率大小,应把其置于最大量程档,然后逐档选择适当量程,使仪器尽可能显示多位有效数字,待仪器显示值稳定后,记录蒸馏水的电导值。 4.测定醋酸溶液的电导
将电导池和电极用滤纸吸干后,用25ml移液管准确移取50ml醋酸溶液倒入电导池,测该溶液的电导率。测完后,用吸取醋酸的移液管从电导池中吸出25ml溶液弃去,用另一支移液管取25ml蒸馏水注入电导池中,混合均匀,等温度恒定后测其电导。如此稀释四次。
5. 醋酸溶液的电导测量完毕后,再次测定电池常数以鉴定实验过程中电导池常数有无变化。
五、数据记录与处理
室温________________ ℃ 蒸馏水的电导率:_______________ S2m-1 醋酸溶液浓度c:______________mol2dm-3 电导池常数Kcell________________m-1. 将原始数据及处理结果填入下表:
37 37
C (mol2dm) (S) -3G k (S2m-1) 平均值 ∧m (S2m22mol-1) α Kθ C 平均值 c 2 平均值 c 4 平均值 c 8 平均值 c 16 实验测定电离平衡常数Kθ平均值= 与文献值相比相对误差= 六、思考题
1. 测定溶液电导,一般不用直流电,而用交流电,为什么?
2. 为了防止电极极化,交流电源频率常选在1000Hz左右,为什么频率不选择更高一些?
3. 结合本实验结果,分析当HAc浓度变稀时,G、к、∧m、α、Kθ等怎样
38 38
随浓度变化?你的实验结果与理论是否相符合?为什么?
-1
附表1:不同温度下,不同浓度的KCl溶液的电导率(单位S·cm)
1 S·cm-1 = 106 μS·cm-1 = 102 S·m-1 C(mol·L-1) t/℃ 1.000 0.1000 0.0200 0.0100 0 0.06541 0.00715 0.001521 0.000776 5 0.07414 0.00822 0.001752 0.000896 10 0.08319 0.00933 0.001994 0.001020 15 0.09252 0.01048 0.002243 0.001147 16 0.09441 0.01072 0.002294 0.001173 17 0.09631 0.01095 0.002345 0.001199 18 0.09822 0.01119 0.002397 0.001225 19 0.10014 0.01143 0.002449 0.001251 20 0.10207 0.01167 0.002501 0.001278 21 0.10400 0.01191 0.002553 0.001305 22 0.10594 0.01215 0.002606 0.001332 23 0.10789 0.01239 0.002659 0.001359 24 0.10984 0.01264 0.002712 0.001386 25 0.11180 0.01288 0.002765 0.001413 26 0.11377 0.01313 0.002819 0.001441 27 0.11574 0.01337 0.002873 0.001468 28 0.01362 0.002927 0.001496 29 0.01387 0.002981 0.001524 30 0.01412 0.003036 0.001552 35 0.01539 0.003312 36 0.01564 0.003368 附表2醋酸电离平衡常数的文献值 t/℃ 5 15 25 26 Kθ3105 1.6980 1.7460 1.7540 1.75793 t/℃ 27 28 29 30 Kθ3105 1.75689 1.75548 1.75376 1.75170 t/℃ 31 32 33 34 Kθ3105 1.74932 1.74661 1.74357 1.74022 39 39