CuSO₄在混合溶劑中離子遷移數(shù)的研究

楊繩巖　孟祥珍

【摘 要】離子遷移數(shù)在化學(xué)及電化學(xué)研究領(lǐng)域中是一個重要的參數(shù)，對研究電解質(zhì)溶液有著重要的作用。本文以《物理化學(xué)實驗》中離子遷移數(shù)的測定為基礎(chǔ)，采用希托夫法的測定方法研究CuSO4在混合溶劑中離子遷移數(shù)的變化規(guī)律。選擇三個不同的研究體系，分別為固定CuSO4的濃度，改變乙醇在混合溶劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；固定CuSO4的濃度和混合溶劑中水的體積，改變混合溶劑中的另一種溶劑（甲醇、異丙醇）；固定10%乙醇的混合溶劑，改變CuSO4的濃度，從而尋找離子遷移數(shù)的變化規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】希托夫法；離子遷移數(shù)；混合溶劑

在化學(xué)及電化學(xué)領(lǐng)域中，離子遷移數(shù)是一個重要的參數(shù)，對研究電解質(zhì)溶液、電極過程動力學(xué)、自發(fā)電池、電解電鍍過程以及生物化學(xué)反應(yīng)等都具有重要作用[1]。測定離子遷移數(shù)有助于了解離子的性質(zhì)，如從離子遷移數(shù)與電導(dǎo)入手，通過研究電解質(zhì)溶液中離子的遷移性質(zhì)，并結(jié)合電解質(zhì)的極限摩爾電導(dǎo)，得到單離子極限電導(dǎo)，從而可以比較直觀地表征溶液中離子的溶劑化性質(zhì)[2]。另外，研究影響電解質(zhì)中離子遷移數(shù)的各種因素，可以明確體系中各種組分之間的相互作用，探討離子導(dǎo)電的機理，為設(shè)計、合成和應(yīng)用新型電解質(zhì)溶液提供重要的理論指導(dǎo)[3]。

離子遷移數(shù)的測定是物理化學(xué)和物理化學(xué)實驗研究中的一個重要內(nèi)容，目前文獻報道較多的是對離子遷移數(shù)在單一溶液中測量方法的改進和測量儀器的研究[4]，而對離子遷移數(shù)在混合溶劑中的研究較少報道。在單一溶劑的基礎(chǔ)上，研究離子遷移數(shù)在混合溶劑中的變化規(guī)律，對于更好地理解和應(yīng)用離子遷移數(shù)有著重要的意義。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

CuSO4·5H2O（A.R.）；硫代硫酸鈉（A.R.）；碘化鉀（A.R.）；醋酸（A.R.）；可溶性淀粉（C.P.）；硝酸（A.R.）；濃硫酸（A.R.）；無水乙醇（A.R.）；甲醇（A.R.）；異丙醇（A.R.）。

HTF-7B離子遷移數(shù)測定裝置；希托夫管；銅庫侖計；電子天平（一臺）。

1.2 實驗步驟

在希托夫遷移管中裝入CuSO4混合溶液，排盡遷移管中的氣泡，并使遷移管的兩A、B活塞處于導(dǎo)通狀態(tài)。將庫侖計中陰極銅片取下，先用細砂紙磨光，除去表面氧化層，放在6mol/L硝酸溶液中洗滌，再用蒸餾水洗凈，后用乙醇淋洗并吹干，在分析天平上稱重記為m1，裝入庫侖計中。連接好遷移管、離子遷移數(shù)測定儀和庫侖計，接通電源，調(diào)節(jié)電流強度為10mA左右，連續(xù)通電90min[5]。

在電解時間內(nèi)，取10ml原CuSO4混合溶液加入50ml的錐形瓶中，稱量錐形瓶和溶液的總質(zhì)量，向錐形瓶中加入5ml10﹪碘化鉀溶液及10ml HAc溶液，用0.05mol/LNa2S2O3溶液滴定至淡黃色，然后加入1ml淀粉指示劑，再滴至紫色消失，記錄所用硫代硫酸鈉的體積VNaS2O3，1（ml）。

停止通電后，立即關(guān)閉A、B活塞，使三室隔開，以免擴散。從庫侖計中取出陰極銅片，用水沖洗后，淋以乙醇并吹干，稱其重量記為m2。用250ml錐形瓶迅速取出陽極區(qū)溶液稱重，并用同樣的方法滴定分析陽極區(qū)CuSO4溶液的Cu2+濃度，記錄所用硫代硫酸鈉的體積VNaS2O3，，2（ml）。將所得數(shù)據(jù)處理[6]，代入公式tCu2+=n遷/ n電，即可求得Cu2+的遷移數(shù)。

2 結(jié)果與討論

本論文選擇三個不同的研究體系，研究CuSO4溶液中Cu2+的離子遷移數(shù)的變化規(guī)律。討論結(jié)果如下：

2.1 不同的溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

固定CuSO4溶液的濃度為0.05mol/L，改變乙醇在水和乙醇混合溶劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為0%，5%，10%，15%，20%，測得的實驗數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，以tCu2+為縱坐標(biāo)，乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)繪制曲線，得圖1。

圖1 不同溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對離子遷移數(shù)的影響

Figure 1 Effects of different solvents on ion transference number

從圖1的曲線可以發(fā)現(xiàn)，Cu2+的遷移數(shù)隨著混合溶劑中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。

2.2 不同極性的溶劑的影響

固定CuSO4的濃度為0.05mol/L和混合溶劑中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，改變混合溶劑中的另一種溶劑的極性，如甲醇、乙醇、異丙醇，測得的實驗數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如表2所示。

表2 研究體系2的實驗數(shù)據(jù)

Table 2 Experimental data of reserach system two

甲醇，乙醇和異丙醇的極性順序為甲醇>乙醇>異丙醇，而表2中離子遷移數(shù)的計算結(jié)果表明：Cu2+的遷移數(shù)隨混合溶劑中另一種溶劑極性的減小而增大。

2.3 不同CuSO4濃度的影響

固定10%乙醇的混合溶劑，改變CuSO4的濃度，分別為0.01mol/L，0.05mol/L，0.10mol/L，0.50mol/L，1.00mol/L，測得的實驗數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，以tCu2+為縱坐標(biāo)，CuSO4的濃度為橫坐標(biāo)繪制曲線，得圖如下所示。

從圖2曲線不難發(fā)現(xiàn)：Cu2+的遷移數(shù)隨Cu2+濃度的增大而減小。這主要是因為隨著溶液濃度的不斷增大，離子間相互引力較大，正、負離子的速率均減慢，導(dǎo)致離子遷移數(shù)減小。這與離子在單一溶劑中的變化規(guī)律是一致的。

3 結(jié)論

本文采用希托夫法、選擇三個不同的研究體系測定了CuSO4溶液在混合溶劑中的Cu2+離子遷移數(shù)，并得到了不同研究體系的離子遷移數(shù)的變化規(guī)律。Cu2+的遷移數(shù)隨著混合溶劑中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大；隨混合溶劑中另一種溶劑極性的減小而增大；隨Cu2+濃度的增大而減小。

【參考文獻】

[1]張鎖江.電解質(zhì)溶液的熱力學(xué)性質(zhì)和傳遞性質(zhì)[D].杭州：浙江大學(xué)，1994.

[2]潘煥泉.含水和混合溶劑電解質(zhì)溶液熱力學(xué)性質(zhì)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)， 1990.

[3]姚加，閆衛(wèi)東，謝學(xué)鵬，等.NaBr在乙醇-水體系中298.15K下的離子遷移數(shù)[J].浙江大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1999，33（01）：33-39.

[4]張國林，劉正銘.希托夫離子遷移數(shù)測定儀的改進[J].實驗室研究與探索，2000，04：100-101.

[5]莊繼華.物理化學(xué)實驗[M].3版.北京：高等教育出版社，2004.

[6]王麗芳，康艷珍.物理化學(xué)實驗[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]