实验二电解质溶液电导率的测定及其应用

实验二 电解质溶液电导率的测定及其应用

一、目 的

(1)通过测定弱电解质醋酸溶液的电导率，计算其解离度a 和标准解离常数K 。

(2)通过测定强电解质稀盐酸溶液的电导率，计算其无限稀释摩尔电导率m Λ∞

。

二、原理

电解质溶液为第二类导体，它与通过电子运动而导电的第一类导体有所不同，是通过正、负离子在电场中的移动而导电的。电解质溶液的导电能力用电导 G 来衡量，电导 G 即溶液电阻 R 的倒数：

G = 1/R (2.2.1)

电导的单位为西门子，简称西，用符号S 表示，1S=1Ω-1。

在电解质溶液中，插入两个平行电极，电极间距离为l ，电极面积为A ，则：

G = 1/R = κ A / l 或 κ = G l /A (2.2.2)

式中κ为电导率(即为电阻率ρ的倒数)，单位为 S·m -1。当电极的截面积 A =1m 2，距离 l =1m 时，测得的溶液电导即为电导率。

实验时，所用的两个平行电极(通常为金属铂片)用塑料封装在一起，称为电导电极。电导电极的面积及电极间的距离均为常数，其比值

K cell =l /A (2.2.3)

称为电导池常数，单位为m -1。电导池常数K cell 不易直接精确测量，一般是通过测定已知电导率κ的标准溶液的电导G , 再利用式(2.2.4)进行计算。

κ = G K cell (2.2.4)

根据式(2.2.4)，使用同一个电导电极测量其它溶液的电导，便可确定它们的电导率，这就是电导仪或电导率仪的测量原理。实验时，应根据溶液电导率的测量精度和变化范围选择电导池常数不同的电导电极，同时选择不同浓度的KCl 标准溶液(见数据表4.21)标定电导池常数。

当两电极间的溶液含有 1mol 电解质、电极间距 1m 时，溶液所具有的电导称摩尔电导率，记作Λm 。摩尔电导率Λm 与电导率 κ 之间的关系为：

Λm = κ / c (2.2.5)

式中 c 为物质的量浓度，单位为 mol .m -3。显然，摩尔电导率的单位为S .m 2.mol -1。

Λm 的大小与浓度有关，但是其变化规律对于强、弱电解质是不同的。对于强电解质的

稀溶液(如 HCl 、NaAc 等)：

m m ΛΛ∞

=- (2.2.6)

式中m Λ∞

为无限稀释的摩尔电导率；A 为常数。 以m Λ作图，将其直线外推至 c =0 处，截距即为m Λ∞。

对于弱电解质，式(2.2.6)不成立。若要求其m Λ∞

，可用科尔劳施离子独立运动定律：

m m,+m,-v v ΛΛΛ∞∞∞

+-=+ (2.2.7)

式中v +、v -分别为正、负离子的化学计量数；m,+Λ∞

、m,-Λ∞分别为无限稀释时正、负离子的摩

尔电导率。也就是说，在无限稀释的溶液中，离子彼此独立运动，互不影响，因而每种离子

的电导不受其他离子的影响， 电解质的摩尔电导率为正、负离子的摩尔电导率之和。 所以，

弱电解质的m Λ∞可以用强电解质的m Λ∞求得。例如，欲求25℃时弱电解质 HAc 溶液的m Λ∞， 查数据表4.22得到 25℃ 时m Λ∞(H +)和m Λ∞(Ac +

) 的值，利用式(2.2.7)可得：

m

Λ∞(HAc)=m Λ∞(H +)+m Λ∞

(Ac +)=(349.82+40.90)×10-4 S .m 2.mol -1=390.72×10-4 S .m 2.mol -1 对于 1-1 型弱电解质(如 HAc)，其在水溶液中解离达到平衡时，

HAc K

??→←??

H + +Ac - c (1-a ) ca ca

标准解离平衡常数K 与溶液浓度 c 和电解质的解离度 a 有如下关系：

2

(/)1c c a K a

=

- (2.2.8) 弱电解质溶液中离子的浓度很低，其解离度 a 可认为是溶液浓度为 c 时的摩尔电导率 Λm

与溶液在无限稀释时的摩尔电导率m Λ∞

之比，即：

a = Λm /m Λ∞

(2.2.9)

因此，将式(2.2.9)代入式(2.2.8)后整理得：

2

m

m m m (/)()

c c K ΛΛΛΛ∞∞

=- (2.2.10) 或写成

2

m m m m

1

(/)()c c K

K ΛΛΛΛ∞∞

=- (2.2.11)

以m (/)c c Λ对Λm -1

作图，其直线的斜率为2m ()K Λ∞，由离子独立运动定律算出 HAc 的 m Λ∞

就可求得K 。注意：使用式(2.2.11)的斜率和截距直接计算m Λ∞和K 的结果不可靠！

测定电解质溶液的电导率或电导，实质是测电导电极中两个电极片之间溶液的电阻。实验室使用的电导率仪有不同的型号，实验室配置的DDSJ-308A 型电导率仪如图 2.2.1所示。电导电极为DJS-1D 型铂黑电极(电导池常数约1 cm -1), 可测量范围0~20 mS .cm -1，标准溶液可选用0.01或0.1 mol .dm -3 KCl 溶液。电导率很低(<2 mS .cm -1, 如超纯水)或很高(>20 mS . cm -1，浓盐水溶液

) 时需使用电导池常数为0.1

或10 cm -1)的电导电极，标准溶液相应使用浓度较小或较大的KCl 溶液。测量时，电导电极中的两个金属电极片必须浸没在溶液中且最好垂直放置。测量的有效精度约1%，因此可忽略第4位数值的变动。

图 2.1 测量溶液电导率的电导率仪和电导电极

三、仪器和药品

SIDS-I 数显型电导率仪，DJS-1c 型铂黑电导电极，100mL 烧杯1个，50mL 烧杯6个，20mL 移液管11支。

0.1mol .L -1HAc 溶液，0.02 mol .L -1HCl 溶液，0.0100 mol .L -1KCl 溶液，蒸馏水。

四、步骤

(1) 电导率仪的使用

电导电极去除保护套后连同温度传感器依次用自来水洗，然后用蒸馏水和所测溶液润洗，然后一端接入电导率仪(通常已接入不用拆除)并固定在支架上后插入待测溶液。接通仪器电源，按仪器开关“ON/OFF”键，仪器进入电导率测量状态，见图2.1。

在电导率测定状态下，按“电极常数”进入电导池电极常数的微小“调节”状态，再按“电极常数”指向“选择”状态，可按键修改电极常数档次如1、10、0.1、0.01；

再按“电极常数”进入微小“调节”状态，按键修改电极常数值，按“确定”键退

出，按“取消”键取消修改。

在电导率测定状态下，按“温补系数”进入温补校正状态，具体见说明书，按键

修改温补系数α值，按“确定”键完成。水溶液电导率的α 取为0.02，即电导率与温度t的关系κ = κ25[1+α (t - 25)]。若不符合，可自行测定，但一般不作校正。若显示屏出现“溢出”，表示超出量程范围，应更换电极常数更高(如10 cm-1)的电导电极；若读数小于2 μS/cm，建议更换电极常数更低(如0.1 cm-1)的电导电极。

仪器还可测量TDS和盐度值，即水中NaCl(或其它电解质)的浓度或百分含量。多按“模式”键进入测量TDS、盐度、电导率功能的转换。

注意：不接入温度传感器时，测量值即为实际溶液温度下的电导率值，但仪器显示温度为25℃。当接入温度传感器时，显示的温度为实际室温或溶液温度，显示的电导率值已转为25℃的值。当室温与溶液温度一致时，温度传感器探头无需放入溶液中。

(2) 电导池常数的标定和蒸馏水电导率的测定

在电导率测定状态下，仪器稳定后，根据电极常数值(电极上有标注)按“电极常数”键设定相应值，按“确定”键结束。然后将干净润洗后的电极和温度传感器插入0.0100 mol.L-1 KCl溶液(约20mL)中，按“标定”键，再按或键改变电导率显示值为25℃时的标准值即1413 μS/cm。按“确定”后仪器自动计算电极常数并存贮。以后的测量电导率时显示的电极常数即为校正值，记录该校正值。

取20ml 蒸馏水于50ml烧杯中，测定其电导率。

(3) 不同浓度HAc溶液电导率的测定

用移液管吸取20mL 0.1mol.L-1HAc溶液，放入干净的100mL烧杯中。再用移液管吸取20mL蒸馏水加入该烧杯中。轻轻摇动烧杯，使溶液混合均匀后，得到浓度降为原来的

1/2的溶液。从中吸取20mL溶液再加等量蒸馏水，得到浓度为原来的1/4的溶液。重复类似操作可得浓度为原来的1/8的溶液。配置好溶液后，移取1/8浓度~原浓度的HAc溶液约20mL至50mL烧杯中，测定各溶液(从低浓到高浓)的电导率两次，记录实验值。

(4) 不同浓度HCl溶液电导率的测定

按照步骤3 的方法稀释配置浓度为原来浓度的的1/2、1/4、1/8的HCl 溶液。取不同浓度(1~1/8)的HCl溶液约20mL，测定各溶液(从低浓到高浓)的电导率，记录实验值。

(5) 实验完毕，关闭电导率仪电源，用蒸馏水洗净电导电极并放在合适位置上。

注意：若溶液配制后静置一段时间再测量，溶液温度与室温基本相同，温度探头无需插入溶液亦可进行测量。测量时测量液的量需大致相同，电导的铂电极片应完全浸入溶液中且深度及位置大致相同。配置溶液时各移液管不要混用，以免污染溶液。

五、数据记录

实验温度____________℃ 气压___________kPa

0.0100 mol .L -1 KCl 的标准溶液25℃时的电导率为1413 μS .m -1。实验使用的电极标注的电极常数为________cm -1，标定后的电导池常数为___________cm -1

25℃时蒸馏水的电导率___________ 蒸馏水的电导____________

表2.2.1. 醋酸溶液电导率测定的相关数据

1a

=

-

注意：c =1mol .dm -3。

表2.2.2盐酸电导率测定的相关数据

六、结果处理

(1) 计算各浓度的 HAc 溶液的电导、摩尔电导率、解离度和解离常数。

(2) 自制表格记录m (/)c c Λ和1/Λm 的计算值，并以m (/)c c Λ对1/Λm 作图，得一直线，

直线的斜率为2

m ()K Λ∞，由此求得K 。与步骤2算得的K 的平均值作比较。

(3) 计算不同浓度下 HCl 溶液的摩尔电导率Λm ，以Λm 0时所

得直线的截距计算HCl 溶液的无限稀释摩尔电导率m Λ∞,并与按离子独立运动定律计算得的

值相比较，求出相对误差。

说明：本实验的文本及数据处理Excel 表格均可从网站(https://www.360docs.net/doc/dc12381684.html, )中下载。 七、思考题

(1) 电导池的电极常数如何测定？不标定可以吗？

(2) 由本实验讨论弱电解质的电导率、摩尔电导率与浓度的关系。

(3) 影响强电解质水溶液电导的因素有哪些？试分析本实验的误差来源。实验时要注意哪些问题?

(4) 为什么强电解质溶液的摩尔电导率随着溶液浓度的减小而增大？

(5) 实验时一般插入温度探头，这时的κ 值应该是25℃的值，如何转换为实际温度的电导率值?

(6) 直接利用式(2.2.11)计算HAc 的m Λ∞

和K ，分析其结果的可靠性并说明此法是否可

行？