实验六 离子交换法测定硫酸钙的溶度积
一、实验目的
1. 了解用离子交换法测定难溶电解质的溶解度和溶度积的原理和方法； 2. 了解离子交换树脂的一般使用方法； 3. 进一步练习酸碱滴定的操作。
二、实验原理
常用的离子交换树脂是人工合成的固态、球状高分子聚合物，含有活性基团，并能与其它物质的离子进行选择性的离子交换反应。含有酸性基团而能与其它物质交换阳离子的称为阳离子交换树脂。含有碱性基团而能与其它物质交换阴离子的称为阴离子交换树脂。本实验用强酸型阳离子交换树脂（用RSO3H表示）交换硫酸钙饱和溶液中的Ca2+ 。其交换反应为：
2R-SO3H + Ca2+ (R-SO3)2Ca + 2H+
- -
由于CaSO4是微溶盐，其溶解部分除Ca2+ 和SO42外，还有离子对形式的Ca2+SO42
存在于水溶液中，饱和溶液中存在着离子对和简单离子间的平衡：
--
Ca2+ SO42 (aq) Ca2+(aq) + SO42 (aq)(1)
-当溶液流经交换树脂时，由于Ca2+ 被交换，平衡向右移动，Ca2+SO42 解离，结果全部的钙离子被交换为H+，因此流出液应是硫酸溶液。用已知浓度的氢氧化钠溶液滴定全部酸性流出液，即可求得流出液的c (H+)，从而可计算出 CaSO4 的摩尔溶解度S（用
-mol·L1 表示）：
c(H?)S?c(Ca)?c(CaSO)?22?2?2?4(2)
θ
从溶解度计算CaSO4 溶度积Ksp的方法如下：
设饱和CaSO4 溶液中 c ( Ca2+ ) = c，
-
则 c ( SO42) = c
-由（2）式 c (Ca2+SO42) = S – c
?c(Ca2?)?c(SO2)4从（1）式可写出 K?
2?2?c(CaSO4)θdθ
称为离子对解离常数。对CaSO4 来说，25℃ 时： Kd
θKd?5.2?10?3
?c(Ca2?)?c(SO2c24)因此 ??5.2?10?3 2?2?S?cc(CaSO4)c2?5.2?10?3c?5.2?10?3S?0
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?5.2?10?3?2.7?10?5?2.08?10?2Sc?2θ
按溶度积定义即可计算出Ksp：
( 3 )
θ2? Ksp?c(Ca2?)?c(SO4)?c2 ( 4 )
三、仪器和药品
仪器：25 mL移液管；离子交换柱一根；洗耳球；碱式滴定管一支；250mL锥形瓶；100mL量筒。
药品：新过滤的CaSO4 饱和溶液；强酸型阳离子交换树脂（732型）； 标准氢氧化
钠溶液（0.05 mol·L-1）；溴百里酚蓝（0.01 %）；pH试纸。
四、实验内容 1. 洗涤
调节交换柱下端的螺丝夹，使溶液以每分钟约50 滴的速度通过交换柱，待柱中溶液液面降低至略高于树脂时，分批加入约50毫升去离子水洗涤树脂，直到流出液呈中性（用pH 试纸检验）。此流出液全部弃去。
[注] 在使用交换树脂时，都应使之常处于湿润状态。为此，在任何情况下交换树脂上方都应保持有足够的溶液或去离子水。
2. 交换和洗涤
用移液管准确量取25.00 mL CaSO4 饱和溶液，注入交换柱内。流出液用250mL锥形瓶承接，流出液的流出速度控制在每分钟40 ~ 50滴，不宜太快。待柱内 CaSO4 饱和溶液的液面降低略至高于树脂时，分4次加入总共约80 mL（用量筒量取）去离子水洗涤树脂，直到流出液呈中性（用pH试纸检验）。全部的流出液用同一锥形瓶承接。在整个交换和洗涤过程中应注意勿使流出液损失。
3. 滴定
往装有全部流出液的锥形瓶中加入2~3滴溴百里酚蓝指示
剂，用标准氢氧化钠溶液滴定至终点（溶液由黄色变为鲜明的蓝色，且半分钟内不褪色，此时溶液的pH = 6.2~7.6）。
记录实验时的温度，并根据所用标准氢氧化钠溶液的浓度和体积，计算该温度下
CaSO4的溶解度（S）和溶度积（Kθsp）。
4. 再生
注蒸馏水于交换柱中液面高于树脂。
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五、实验前应准备的问题
1. 如何根据实验结果计算溶解度和溶度积？
2. 操作过程中，为什么要控制液体的流速不宜太快？ 3. CaSO4 饱和溶液通过交换柱时，为什么要用去离子水洗涤至溶液呈中性，且不允许流出液有所损失？
附注
⑴ CaSO4溶解度的文献值 温度／℃ 0 -10 -20 -30 - 溶解度／mol·L1 1.29?102 1.43?102 1.50?102 1.54?102 -⑵ CaSO4饱和溶液的制备
过量CaSO4（分析纯）加到蒸馏水中，加热到80℃，搅拌，冷却至室温。实验前过滤。
实验七 氧化还原反应
一、实验目的
1．了解原电池装置和反应，并学会粗略测量原电池电动势的方法； 2．考察浓度对电极电势的影响；
3．掌握电极电势与氧化还原反应的关系，进一步熟悉溶液浓度、酸度对氧化还原反应的影响。
二、实验原理
金属间的置换反应伴随着电子的转移，利用这类反应可组装原电池，如标准铜锌原电池。
(-)Zn┃ZnSO4(1mol·L-1)‖CuSO4(1mol·L-1)┃Cu (+)
在原电池中，化学能转变为电能，产生电流，由于电池本身有内电阻，用毫伏计所测的电压，只是电池电动势的一部分（即外电路的电压降）。可用pHS25型酸度计粗略地测量其电动势。
当氧化剂和还原剂所对应的电对的电极电势相差较大时，通常可以直接用标准电极电势E θ来判断,作为氧化剂电对对应的电极电势与作为还原剂电对对应的电极电势数值之差大于零，则氧化还原反应就自发进行。也就是E θ值大的氧化态物质可以氧化E θ值小的还原态物质，或E θ值小的还原态物质可以还原E θ值大的氧化态物质。
若两者的标准电极电势代数值相差不大时，必须考虑浓度对电极电势的影响。具体方法是利用Nernst 方程式：E?E??0.059lgc(氧化态)
nc(还原态)计算出不同浓度的电极电势值来说明氧化还原反应的情况。
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若有H+ 或OH 参加氧化还原反应，还必须考虑pH值（酸度）对电极电势和氧化还原反应的影响。
三、仪器和药品
仪器：pHS-25型酸度计，铜片电极和锌片电极各两根、盐桥（充有琼胶和KCl饱和溶液的U形管）、50mL烧杯4只。
-----药品：HCl(浓、1 mol·L1)；H2SO4(2 mol·L1)；CuSO4(0.01 mol·L1，0.5 mol·L1 mol·L1)；
----ZnSO4(0.5mol·L1)；KBr(0.1 mol·L1)； KI(0.1 mol·L1)；FeCl3(0.1 mol·L1)；H2O2(3%)，
---(NH4)2Fe(SO4)2(0.1 mol·L1)；K3[Fe(CN)6](0.1 mol·L1)；K2Cr2O7(0.02 mol·L1)；MnO2(s)，
-NH4SCN(0.1 mol·L1)；溴水，CCl4，淀粉KI试纸，砂纸。
四、实验内容
1．原电池与电动势
如图7.1装配好铜锌原电池，按测定电动势步骤（参见本实验附录） 进行操作，记录数据，并写出电极反应。
2．浓度对电极电势的影响
-将步骤1中的0.5 mol·L1的CuSO4溶液，换
-成0.01 mol·L1 CuSO4，重新测定电动势，与步骤1的实验数据进行比较，并解释之。
3．氧化还原反应与电极电势的关系
-（1）往试管中加入0.5mL 0.1 mol·L1的KI
-溶液和2滴0.1 mol·L1 FeCl3溶液，再加入10滴CCl4，观察CCl4层颜色的变化，发生了什么反应？
- 图7.1 铜锌原电池装置示意图（2）用0.1 mol·L1 KBr溶液代替KI溶液，
进行上述实验，反应能否发生？ 根据（1）、（2）的实验结果，定性地比较E (Br2/Br-)、E (I2/I-)、E (Fe3+/Fe2+) 的相对大小，并指出哪一种物质是最强氧化剂，哪一种物质是最强还原剂？
（3）自拟实验，根据电极电势数值判断并验证Fe2+能否与3%的H2O2发生反应？ [注]：H2O2不宜加多，以免妨碍用NH4SCN对Fe3+的检验。 4. 浓度对氧化还原反应的影响
-观察MnO2(s)分别与浓HCl和1 mol·L1 HCl的反应现象（此实验可以不加热）,并检验所产生的气体，写出反应方程式，并从浓度对电极电势的影响解释之。
5．溶液酸度对氧化还原反应的影响
--往试管中加入0.5mL 0.1 mol·L1的KI溶液和0.5mL 0.02 mol·L1K2Cr2O7溶液，混匀
-后，加入少量CCl4并震荡，观察现象，再加入10滴2 mol·L1H2SO4溶液，观察CCl4层颜色的变化，写出反应方程式，并加以解释。
五、实验思考题
1．怎样装置原电池？盐桥有什么作用？
-
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2．如何利用电极电势来判断氧化还原反应进行的方向？本实验通过什么反应来说明的？
3．如何通过实验比较下列物质的氧化还原性的强弱？ ① Cl2、Br2、I2和Fe3+；
---② Cl、Br、I和Fe2+。
4．电极电势受那些因素的影响？是如何影响的？本实验是通过哪些实验来证明？ 5．在氧化还原反应中，为什么一般不用HNO3、HCl作为反应的酸性介质？ 6．查阅与本实验有关的各氧化还原电对的标准电极电势值，记载于实验预习报告上。
实验八 缓冲作用和氧化还原性的验证
一、实验目的
1．了解并验证缓冲溶液的配制方法及性质。
2．了解氧化还原反应，学会选择合适的氧化剂和还原剂。
二、仪器和药品
仪器：量筒、烧杯、试管。
----药品：0.20 mol·L1 NaAc、0.10 mol·L1 HAc、10 mol·L1 Fe2(SO4)3、0.01 mol·L1 KMnO4、
---0.10 mol·L1 KI、10 mol·L1 KBr、2 mol·L1 H2SO4、CCl4。
三、实验内容
--1．用0.20 mol·L1 NaAc和0.10 mol·L1 HAc 溶液配制pH = 5.0 的缓冲溶液30.0 mL，用精密pH试纸测其pH值，利用所得缓冲溶液验证其对少量外加强酸、强碱的缓冲作用。
- -2．根据电极电势从Fe2(SO4)3和KMnO4中选用一种氧化剂，能使I氧化而不使Br
氧化，用实验证明，并写出有关反应式。
----给定试剂：10 mol·L1 Fe2(SO4)3，0.01 mol·L1 KMnO4，0.10 mol·L1 KI，10 mol·L1KBr， -2 mol·L1 H2SO4，CCl4。
--
已知：E θ (Fe3+/Fe2+) = 0.771 V， E θ (MnO4/Mn2+) = 1.51 V， E θ (I2/I ) = 0.5355 V，
-
E θ (Br2/ Br) = 1.065 V
3．用给定试剂证明H2O2既有氧化性，又有还原性，写出有关反应方程式。
---给定试剂：H2O2 (3%)，2 mol·L1 H2SO4，0.01 mol·L1 KMnO4，0.10 mol·L1 KI，淀粉溶液。
-已知： E θ (H2O2/H2O) = 1.763 V， E θ (O2/H2O2) = 0.695 V，E θ (MnO4/Mn2+) = 1.51
-
V， E θ (I2/I ) = 0.5355 V。
四、实验前准备的问题
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